전고체전지 음극재로 가장 많이 연구되는 소재 '리튬금속'

한국전기연구원(KERI)이 국립금오공대 및 인하대 교수팀과 공동으로 수행한 전고체전지 음극재 연구가 에너지 분야 최정상급 국제 저널의 표지논문으로 선정됐다.

전고체전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 전해질을 기존 가연성 액체에서 화재나 폭발 위험이 적은 고체로 대체한 배터리로, 충·방전 과정에서의 안정성 확보 등 고도의 기술력이 필요하다. 특히 음극은 전지의 충전 속도와 수명에 큰 영향을 미치기 때문에 음극재의 소재가 매우 중요하다.

현재 전고체전지 음극재로 가장 많이 연구되고 있는 소재는 리튬금속(Li-metal)이다. 그러나 리튬금속은 충·방전 과정에서 수지상(dendrite) 성장이 발생해 전지의 수명과 안정성을 저해하는 주요 원인이 되고 있다. 이에 대한 대안으로 실리콘 음극재도 연구되고 있지만, 낮은 전자·이온 전도도와 부피 팽창으로 인한 균열 문제를 가지고 있다.

KERI와 대학 연구팀이 제시한 음극재는 주석(Sn) 기반의 합금계 소재인 주석-철 화합물(FeSn₂)이다. 연구팀은 FeSn₂가 충·방전 시 반복적인 재결합 반응으로 입자가 작아지는 특성을 확인했으며, 이를 통해 전고체전지 내에서 고체 입자 간의 접촉이 장기간 유지돼 치밀하고 균일한 전극을 형성할 수 있음을 입증했다. 또한, FeSn₂는 높은 탄성과 변형 에너지를 보유해 외부 자극에도 균열 없이 전기화학적 안정성을 유지하는 특성이 확인됐다.

연구팀은 FeSn₂ 음극재를 적용한 테스트용 전고체전지 완전 셀(full cell)을 제작해 실험을 진행했다. 그 결과, 기존 리튬이온전지 대비 5배 높은 면적당 용량(15.54 mAh/cm²)을 달성했으며, 급속 충·방전(20C 전류밀도에서 3분, 10C 전류밀도에서 6분)에서도 1천 회 이상의 사이클 동안 70~80%의 높은 용량 유지율을 기록했다. 또한, 연구팀은 FeSn₂ 음극재를 파우치 셀(pouch cell) 형태로 적용해 성능을 평가했으며, 255 Wh/kg 이상의 에너지 밀도를 기록해 상업적 가능성도 확인했다.

KERI 하윤철 차세대전지연구센터장은 "이번 성과는 기존 리튬금속과 실리콘 중심의 전고체전지 음극재 연구에서 벗어나 주석 기반 합금계 음극재의 큰 잠재력을 입증한 것으로, 매우 의미 있는 성과"라고 밝혔다. 또한, 국립금오공대 박철민 교수는 "안정적인 고성능 음극재 개발을 통해 전고체전지 상용화에 기여하겠다"는 포부를 전했다.

연구결과는 과학 분야 최고 권위의 국제 학술지인 줄(Joule) 10월호 표지논문으로 선정됐다. 줄은 네이처(Nature), 사이언스(Science)와 함께 과학 분야 3대 저널로 꼽히는 셀(Cell)의 에너지 분야 자매지로, 피인용지수(IF) 38.6을 자랑하는 세계 최정상급 저널이다.

논문의 책임 저자는 KERI 하윤철 센터장, 국립금오공대 박철민 교수, 인하대 전기준 교수가 공동으로 맡았으며, 국립금오공대 박사과정 이영한 연구원이 제1저자로 참여했다. 공동 저자로는 KERI 최정희 전지·소재공정연구센터장, 국립금오공대 최인철 교수, 김도현(박사과정), 윤정명 연구원이 이름을 올렸다.