전기연, 화재 걱정 없는 전고체전지 음극재 기술 개발

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 화재 걱정을 줄일 수 있는 핵심 기술을 연구한 결과를 내놨다.

한국전기연구원은 국립금오공대, 인하대 교수팀과 함께 전고체전지 음극재 관련 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

연구자들의 증명사진.(왼쪽부터)하윤철 전기연 센터장, 박철민 금오공대 교수, 전기준 인하대 교수, 이영한 금오공대 연구원.(사진=한국전기연구원)

전고체전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 ‘전해질’을 기존 가연성의 액체에서 화재나 폭발의 위험성이 극히 낮은 고체로 대체한 것이다.

전고체전지는 ‘고체’라는 특성상 충·방전 과정에서 안정성 확보를 위한 기술이 필요하다. 음극은 전지 충전 속도와 수명에 큰 영향을 주기 때문에 어떤 소재로 이뤄지느냐가 중요하다.

현재 전고체전지의 음극재로 리튬금속이 가장 많이 연구되고 있다. 하지만 리튬금속은 충·방전을 거듭할수록 리튬 표면에 나뭇가지 모양의 형태로 리튬이 자라나는 ‘수지상(dendrite) 성장’이 발생해 내부 단락을 일으키는 등 전지 수명과 안정성을 위협했다. 리튬금속 외에 실리콘 음극재도 있지만 낮은 전자·이온 전도도, 부피 팽창 등의 문제도 발생했다.

연구팀이 제시한 음극재는 주석 기반 합금계 소재인 ‘주석-철 화합물(FeSn2)’이다. 연구팀은 이 화합물이 반복적인 충·방전 시에도 재결합 반응으로 입자가 작아지는 특성이 있다는 것을 파악했다. 또 전고체전지에서 내부 고체 입자 간 접촉을 오랜 기간 유지하고, 치밀·균일한 전극을 형성한다는 것을 확인했다. 외부 자극이 가해지는 환경에서도 이 화합물은 높은 탄성과 변형 에너지를 지녀 균열 없이 전기화학적 안정성도 좋은 것으로 나타났다.

연구팀이 시험용 ‘전고체전지 완전 셀’을 제작해 분석한 결과 기존 리튬이온전지 대비 5배 높은 면적당 용량을 기록했다. 급속 충·방전 시험도 1000회 사이클이 넘게 진행했는데 70~80% 이상 용량을 유지했다.

하윤철 전기연 차세대전지연구센터장은 “기존 리튬금속과 실리콘에 치우쳤던 전고체전지 음극재 연구분야의 관행에서 벗어나 주석 기반 합금계 음극재의 잠재력을 입증했다는 측면에서 의미가 크다”고 말했다.

연구결과는 국제 학술지 ‘줄(Joule)’의 10월호 표지논문으로 게재됐다.