국내 연구진이 새로운 형태의 전고체 이차전지용 전극 구조를 개발했다.
한국전자통신연구원(ETRI)과 대구경북과학기술원(DGIST) 공동연구팀은 활물질간 원활한 리튬이온 확산 특성을 규명하고 새로운 형태의 전고체 이차전지용 전극 구조를 설계했다고 15일 밝혔다.
이차전지는 일차전지와 달리 스마트폰 배터리처럼 방전돼도 충전해 반복사용이 가능하다.
일반적으로 전고체 이차전지의 전극 구조는 이온 전도를 담당하는 고체전해질과 전자 전도를 담당하는 도전재, 에너지 저장을 담당하는 활물질, 이를 물리·화학적으로 잡아주는 바인더로 구성된다.
하짐나 ETRI 연구진은 실험을 통해 흑연 활물질 입자 간에도 이온이 전달되는 것을 확인했다. 이에 활물질과 바인더로만 구성된 전극 구조를 DGIST에 제안했고 DGIST는 슈퍼컴퓨터 기반 모델링을 통해 전기화학실험을 진행, 이론적으로 실현 가능함을 확인했다.
이후 ETRI 연구진은 이를 실험적으로 최종 구현해 내는데 성공하고 ‘이온 확산 기반 전고체 전극’이라 명명한 기술을 국제 학술지에 투고했다.
연구진의 기술을 적용하면 고체 전해질이 필요 없기에 같은 부피에 더 많은 활물질을 전극에 집어넣을 수 있다. 또 전극 내 활물질 함량이 98wt%에 달할 정도로 구성을 극대화할 수 있고 그 결과 에너지밀도를 일반적인 흑연 복합 전극 대비 약 1.5배 높일 수 있다.
제조공정 측면에서도 차별화됐다. 일반적으로 많이 쓰이는 황화물계(Sulfide) 고체전해질 소재는 높은 이온전도도와 우수한 성형성을 지니지만 높은 화학적 반응성으로 인해, 용매 및 바인더 선택이 까다로웠다. 이에 반해 연구진이 만든 전극에는 고체 전해질이 없기에 용매 및 바인더의 선택이 자유로워 전고체 이차전지 성능 향상을 위한 다양한 연구를 시도할 수 있다.
총괄책임자인 ETRI 지능형센서연구실 이영기 박사는 “기존 전고체 이차전지에서 사용되는 구조에서 벗어나 활물질만으로 이온을 확산할 수 있는 것을 최초로 밝혔다”며 “에너지밀도를 더욱 높일 이차전지를 개발, 핵심 원천 기술을 확보하며 상용화를 이루는데 힘쓰겠다”고 밝혔다.
ETRI는 이번 연구와 같은 개념을 기반으로 다양한 전극 소재와 양극 활물질을 대상으로 응용 연구를 진행할 예정이다. 또 전극 간 계면 이슈를 줄이고 전극의 부피도 얇게 만들어 효율을 높이는 기술을 고도화하는 연구도 병행할 계획이다.
