양극활물질에 고체전해질을 부분 코팅한 복합소재 개발

전고체전지 실용화를 막는 난제를 해결하기 위해 국내 연구진들이 하나로 뭉쳤다. 한국전기연구원(KERI) 차세대전지연구센터 하윤철 박사는 경희대 응용화학과 김병곤 교수팀, 중앙대 에너지시스템공학부 문장혁 교수팀, 부산대 재료공학부 이승기 교수팀과 함께 전고체전지(황화물계)용 양극활물질과 고체전해질을 최적으로 혼합할 수 있는 기술을 개발했다.

전고체전지는 화재나 폭발 위험이 극히 낮아 차세대 전지로 주목받고 있지만, ‘고체’라는 키워드 특성상 기존 ‘액체전해질’ 기반의 전지보다 기술력이 훨씬 요구되고, 제조가 어렵다. 특히 전극판 제조에 있어서 내부의 양극활물질과 고체전해질, 도전재 및 바인더의 효과적인 혼합과 분산은 난제 중의 하나로 알려져 있다. 전자와 리튬이 잘 전달될 수 있는 구조로 채널(통로)을 만들어야 하고, 접촉면에서의 계면 저항도 낮아야 하는 등 조건이 매우 까다롭기 때문이다.

현재까지는 양극활물질과 고체전해질을 복합화하기 위해 ▲습식 혹은 건식 환경에서 기계적으로 단순 혼합해 수십~수백 ㎛(마이크로미터(100만분의 1m)) 두께로 제조하는 방식 ▲양극활물질 표면을 고체전해질로 감싸는 ‘코어-쉘(Core-shell)’ 구조 방식 등이 있었지만, 전자나 이온의 이동이 원활하지 않거나, 계면 저항을 낮게 형성하는 것이 쉽지 않았다.


이에 KERI 및 대학 연구팀은 양극활물질에 고체전해질을 부분 코팅하는 방법을 활용했다. 고체전해질은 산소와 수분에 민감해 잘못 활용되면 열화가 발생한다. 하지만, 연구팀은 화학 반응을 일으키지 않는 일명 ‘불활성(비활성) 기체’를 사용할 수 있는 특수 장비인 ‘블레이드 밀(blade mill)’을 개발해 다양한 형태의 고체전해질 코팅 구조를 연구하고, 양극활물질과의 최적 혼합 비율 등을 실험 및 검증할 수 있었다.

이후 다양한 시뮬레이션을 통해 전고체전지의 ‘활물질 이용률(이론 용량 대비 실제 구동 용량)’과 ‘율특성(저전류 충·방전 대비 고속 충·방전)’을 향상시킬 수 있는 다수의 데이터를 확보했다. 그리고 그 결과를 시제품(파우치 셀)까지 적용해 전고체전지의 성능 향상을 확인했다.

관련 연구 내용들은 에너지 분야 국제 저명 학술지인 ‘에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)’에 논문이 게재됐다. 학술지의 영향력을 평가하는 ‘JCR Impact Factor’는 18.9로, 해당 분야 상위 5%에 속한다.

하윤철 박사는 “전고체전지 보급 확대를 위해 고체전해질 자체의 고성능화와 저가격화도 중요하지만, 이온과 전자의 흐름을 원활하게 돕는 전극판을 효과적으로 만드는 구조 설계와 제조 공정 기술도 중요하다”라고 밝히며 “최적의 비율로 고체전해질이 부분 코팅된 양극활물질 복합소재를 통해 전극판의 기능성을 높이고, 전고체전지 성능 향상에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 전했다.

기술 관련 특허까지 확보한 KERI는 해당 성과가 전고체전지 극판 및 셀 제조 관계자들의 많은 관심을 받을 것이라 보고, 관련 수요업체를 발굴해 상용화를 추진한다는 계획이다.