전기연구원, 전고체전지 음극을 리튬금속 대신 주석·철로 개발
[파이낸셜뉴스] 한국전기연구원(KERI)은 국내 공동연구진이 기존 리튬이온전지보다 전기 저장용량을 5배 늘린 전고체전지용 음극재를 개발했다고 21일 밝혔다. 이 음극재는 다른 연구자들이 개발하고 있는 리튬금속 대신 주석과 철을 혼합해 만들었다.
연구진은 이 음극재와 니켈·코발트·망간으로 만든 양극, 황화물 고체전해질로 이뤄진 전고체전지 완전셀을 제작해 테스트했다. 그결과 면적당 용량이 기존 리튬이온전지 대비 5배 높은 15.54㎃h/㎠를 기록했다. 또한 20C 전류밀도로 3분, 10C 전류밀도로 6분 등 급속 충·방전을 1000번 이상 진행했음에도 70~80% 이상 저장용량을 유지했다.
이와함께 전고체전지 음극을 시제품에 가까운 '파우치 셀' 형태로도 만들어 성능을 평가한 결과, 255Wh/㎏ 이상의 높은 에너지밀도를 가지고 있었다. 일반 상용 리튬이온전지는 보통 200~300Wh/㎏ 범위의 에너지 밀도를 갖는다.
전기연구원 하윤철 차세대전지연구센터장은 "이번 음극재 개발은 기존 리튬금속과 실리콘에 치우쳤던 전고체전지 음극재 연구분야의 관행에서 벗어나, 주석 기반 합금계 음극재의 큰 잠재력을 입증한 것"이라고 말했다. 또 국립금오공대 박철민 교수는 "한계를 뛰어넘는 안정적인 고성능 음극재 개발을 통해 불타지 않는 전고체전지 상용화에 기여할 것"이라고 덧붙였다.
전고체전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 '전해질'을 기존 가연성의 액체에서 화재나 폭발의 위험성이 낮은 고체로 대체했다. 하지만, 전고체전지는 '고체' 키워드 특성상 충·방전 과정에서의 안정성 확보 등 기술력이 훨씬 요구된다. 특히 음극은 전지의 충전 속도와 수명에 큰 영향을 미치는 만큼, 어떤 소재로 이뤄지느냐가 매우 중요하다.
연구진은 기계적 특성 분석을 통해 주석에 철을 섞은 화합물이 반복적인 충·방전에도 재결합 반응으로 입자가 작아지는 특성이 있다는 것을 알아냈다. 이를 통해 전고체전지에서 내부 고체 입자들 간 접촉을 장기간 밀접하게 유지하고, 치밀·균일한 전극을 형성한다는 것을 확인했다.
연구진은 "외부 자극이 가해지는 환경에서도 높은 탄성과 변형 에너지를 가지고 있어 균열 없이 전기화학적 안정성도 좋다"고 설명했다.
한편, 전기연구원과 국립금오공대, 인하대 연구팀이 참여해 개발한 이 음극재는 국제 학술지 '줄(Joule)'에 발표했다. 또 이 학술지에서 연구결과의 우수성을 인정해 10월호 표지논문으로 선정됐다.
monarch@fnnews.com 김만기 기자
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