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  • 기사등록 2019-07-11 09:14:28
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[기계신문] 전자부품연구원(KETI)은 11일 전고체전지 고용량화에 필수적인 전극 대면적화 요소기술을 개발했으며, 연구결과가 기술적 중요성을 인정받아 지난 6월 21일 국제 학술저널 ‘ChemSusChem’ 표지 논문으로 선정됐다고 밝혔다.


전고체전지는 리튬이차전지와 달리, 액체 전해질 대신 불연성 고체전해질을 사용한 전지로서, 화재위험이 없으면서도 현 수준의 리튬이차전지 대비 동일 크기에서 저장용량을 두 배 이상 늘릴 수 있어 도요타자동차 등에서 차세대 전지로 주목, 연구개발에 박차를 가하고 있다.


고체전해질(Solid electrolyte)은 고체상태 물질로 리튬이온의 전도가 가능하면서 현 리튬이차전지에 적용되고 있는 전해액 수준의 높은 이온전도도를 갖는 물질을 말한다.


문제는 핵심 소재인 고체전해질 관련 연구는 활성화된 반면, 실제 상용화에 필요한 전지제조기술에 관한 연구는 부족하다는 사실이다. 고용량 전지제조에는 대면적화 제조기술이 요구된다. 이를 위해서는 슬러리 도포 공정 등 대면적 전극 제조기술이 필요하다.


여기서 슬러리 도포 공정은 얇은 전극 형태를 만들기 위해 양극 소재, 고체전해질, 도전재, 바인더 등 전극 구성물질을 균일하게 혼합해 점성이 있는 슬러리 형태로 도포하는 공정이다.


그런데 전고체전지의 경우 고체의 특성상 액체전해질을 사용하는 기존 리튬이차전지 대비 이온전도가 어렵기 때문에, 전극 제작 시 전도가 용이하도록 고체전해질을 양극 소재와 혼합해 제작하게 된다.


그럼에도 불구하고 기존 기술의 경우 전극 내부에 혼합된 양극 소재와 고체전해질 사이 기공(Pore)들로 입자 간 접촉이 원활하지 않기 때문에, 리튬이온이 이동하는 유효 접촉면적이 낮아 전지 성능구현이 어려웠다.



▲ 이온성 액체(IL) 첨가제를 도입한 전고체전지용 전극 설계 개념도



그러나 이번에 KETI 차세대전지센터에서 개발한 기술은 리튬이온이 원활히 이동할 수 있도록 양극 소재와 고체전해질 간 유효 접촉면적을 극대화시킬 수 있는 기술로서 이온성 액체를 활용했다. 이온성 액체(ionic liquid)는 이온 결합을 가지며 상온에서 액상으로 존재하는 물질로, 주로 전지제작 시 리튬염을 포함하면 리튬이온의 전도가 가능하다.


전극 제조 시 소량의 이온성 액체가 코팅된 고체전해질을 사용해 전극 내부의 기공을 채움으로써, 리튬이온 이동 시 저항을 효과적으로 개선시켜 대면적 형태의 전극에서도 리튬이차전지 대비 90% 수준의 높은 용량을 확보한 것이다.


이번 기술 개발을 주도한 조우석 박사는 “전고체전지는 전기차에 최적의 전지로 근시일내 상용화될 것으로 전망된다”며 “이번에 개발된 기술을 통해 고에너지밀도의 대형 전고체전지 상용화에 탄력이 붙길 바란다”고 전했다.


한편, 이번 기술 개발은 산업통상자원부 및 한국산업기술평가관리원의 소재부품기술개발사업, ‘0.8㎳/㎝급 고이온전도체막 및 대면적 셀 구현을 위한 고안전성 에너지저장 소자용 무기계 고체전해질 소재 기술 개발’ 과제 일환으로 수행되었다.



▲ 논문 front cover (2019. 06. 21.)


이은아 기자 lena@mtnews.net

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