전고체전지 상용화 한걸음…‘중간층’으로 안전성·대면적 구현 동시 달성

한국전기연구원(KERI) 전지소재·공정연구센터 남기훈 박사팀이 전고체전지의 안전성과 대면적 확장성을 동시에 확보할 수 있는 ‘중간층(Interlayer)’ 기술을 개발했다. 이번 성과는 화재·폭발 위험 없는 차세대 배터리 구현을 넘어, 고에너지 밀도와 산업적 활용 가능성을 입증했다.


리튬금속은 흑연 대비 10배 이상 높은 에너지 저장 능력을 지녀 차세대 음극 소재로 주목받지만, 충·방전 과정에서 수지상 결정(dendrite)이 발생해 전극 단락과 수명 저하를 유발한다. 특히 고체전해질과 접촉할 때 계면 화학 반응이 쉽게 일어나 전지 안정성과 성능을 제한해왔다.

남 박사팀은 이를 해결하기 위해 리튬 저장이 가능한 삼원계 화합물(Li₂ZnSb)을 얇은 막 형태로 코팅한 뒤, 리튬금속 음극 위에 전사(transfer printing) 방식으로 부착하는 중간층을 설계했다. 이 층은 리튬금속과 고체전해질 사이에서 완충 역할을 수행하며, 계면 반응을 효과적으로 억제한다.

연구 과정에서 계면 균일성과 재현성 확보가 과제로 떠올랐으나, 금오공대 박철민 교수팀과 협력해 소재의 리튬 저장 메커니즘을 규명하고 공정을 최적화했다. 그 결과, 낮은 가압 조건(2MPa)에서 250사이클 동안 92% 이상 용량 유지율과 320Wh/kg의 에너지 밀도를 달성한 파우치셀 제작에 성공했다. 이는 실험실 단계를 넘어 상용화 수준의 성능을 확보한 것으로 평가된다.

연구결과는 미국화학회(ACS) 발행 ‘ACS Energy Letters’에 게재됐으며, 학술지 영향력지수(Impact Factor)는 18.2로 해당 분야 상위 4.1%에 속한다.

남기훈 박사는 “중간층 설계와 전사 공정을 결합해 대면적 확장성을 확보했다”며 산업 적용 가능성을 강조했다. 최정희 전지소재·공정연구센터장은 “계면 안정화 기술이 전고체전지 상용화를 앞당길 것”이라고 평가했고, 하윤철 차세대전지연구센터장은 “고에너지 밀도·장수명·안정성을 요구하는 미래 모빌리티와 ESS 산업에서 주목받을 것”이라고 전망했다.


KERI는 특허를 확보한 이번 기술을 산학연 공동연구로 고도화하고, 상용 전지 제조 공정에 적합하도록 발전시킬 계획이다. 대면적 파우치셀의 장기 신뢰성 검증과 공정 최적화 연구를 병행해 전고체전지 조기 상용화를 목표로 한다.