전고체전지 ‘계면 난제’ 뚫었다… 나노 주석 중간층으로 저압·고에너지 동시 달성

액체 전해질 대신 고체를 사용하는 전고체전지가 꿈의 전지로 부상하는 가운데 한국전기연구원(KERI)이 상용화 걸림돌인 리튬 금속 음극 계면 불안정 문제에 실질적인 해답을 내놨다.

나노 주석(Sn)으로 만든 초박형 중간층을 리튬 금속 표면에 전사(轉寫)하는 기술을 통해 낮은 압력에서도 고에너지와 장수명 특성을 동시에 확보하며 국제 학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials) 표지 논문으로 채택되는 성과를 거뒀다.

나노 주석 중간층 통한 덴드라이트 억제 및 이온 이동 고속도로 확보

전고체전지는 내부 전해질을 고체로 바꿔 화재와 폭발 위험을 줄이고 에너지 밀도를 높일 수 있어 차세대 전지의 정답으로 평가받았다.

리튬 금속을 음극으로 쓸 경우 고체전해질과 밀착이 유지되지 않아 계면 저항이 커지고 충·방전 과정에서 리튬 수지상(덴드라이트)이 자라 수명을 깎아먹는 문제가 존재했다. 관련 난제를 해결하기 위해 KERI 남기훈 박사 연구팀은 리튬과 반응해 이온을 끌어들이는 나노 주석 분말을 이용해 초박형 중간층을 설계했다.

반응성이 큰 리튬 금속 표면에 직접 코팅하는 대신 별도 기판에서 나노 주석 층을 만든 뒤 전사(Transfer Printing) 공정으로 리튬 금속 음극에 정밀하게 옮겨 붙이는 전략을 택했다.

나노 주석 중간층은 리튬 금속에 가해지는 기계적 스트레스를 줄여 고체전해질과 접촉을 안정적으로 유지함으로써 계면 저항을 낮춘다. 리튬 이온 이동 경로를 정돈해 덴드라이트 비정상 성장 현상을 억제하는 고속도로 역할도 수행한다.

연구팀은 실험실 소형 셀을 넘어 실제 응용에 가까운 대면적 파우치 셀에서 성능을 검증했다.

1cm2당 약 20kg 하중에 해당하는 2MPa의 낮은 외부 압력 조건에서도 전지는 500회 반복 충·방전 후 초기 용량의 81%를 유지하며 장수명 특성을 입증했다. 단위 무게당 에너지 밀도는 351Wh/kg에 이르러 상용 리튬이온전지(약 150~250Wh/kg) 범위를 웃도는 수준을 기록했다.

KERI 차세대전지연구센터 김영오 박사는 제1원리 계산(First-principles calculations) 기반 전산 시뮬레이션을 통해 주석 합금층에서 리튬 이온이 이동하는 경로와 에너지 장벽을 원자·전자 구조 수준에서 분석했다.

나노 주석 중간층이 계면 저항을 낮추고 안정한 전기화학 반응을 유도하는 메커니즘을 이론적으로 규명했다. 남기훈 박사는 대면적 확장성과 계면 안정성을 동시에 만족시킨 점을 성과 핵심으로 짚었다.

관련 인터페이스 설계 기술을 전기차와 휴머노이드 로봇 및 에너지저장장치(ESS) 분야에 적용하도록 제조 공정 연계를 고도화할 계획이다. 관련 기술력 확보와 초격차 수성은 향후 글로벌 전지 패권 경쟁서 우위를 점하는 동력으로 작용할 전망이다.