▲ 전고체 배터리 구조 / 배터리는 리튬금속음극, 복합고체전해질, NCM811양극으로 구성됨. 특히, 복합고체전해질 제조 시 액상 모노머를 주입하여 양극의 기공 내부로 전해질이 침투할 수 있도록 하며, 중합을 통해 전해질/전극 계면저항을 줄임. 또한, 복합 고체전해질 내 세라믹, 고분자, 세라믹/고분자의 계면을 통한 3가지 리튬이온 경로를 제공함으로써 고출력 배터리를 구현함.(그림 및 설명=전남대학교 박찬진 교수)   © 특허뉴스

자동차 업계에서 주목하는 차세대 배터리인 전고체 배터리를 상용화할 수 있는 기술을 국내 연구진이 확보했다.

한국연구재단은 전남대학교 박찬진 교수 연구팀이 다공성 구조의 새로운 복합 고체전해질을 개발해 전고체 배터리의 성능을 크게 높이고 양산성을 확보했다고 밝혔다.

전기차 시대가 도래하면서 전기차용 배터리 용량을 높이고 폭발 및 화재 위험성을 해소하는 기술 선점 경쟁이 치열하다. 

이를 위해 전기차 배터리의 전해질을 기존의 액체에서 고체로 대체하는 전고체 배터리에 대한 관심이 집중되고 있다. 고체전해질은 이론적으로 에너지 밀도가 높고 화재 위험성이 적어 전고체 배터리의 핵심 요소로 꼽힌다.

하지만 고체전해질 소재의 제조비용이 높고, 전극과의 접촉에서 발생하는 계면 저항 등 기술적 한계가 있다. 이런 문제를 해결하기 위한 새로운 연구가 활발하다. 

<용어설명>  

고체전해질 소재 : 고체전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 폴리머 3가지 종류로 나눌 수 있는데 가장 유망한 황화물계 고체전해질의 주원료(Li2S) 가격은 리튬이온배터리 전해액의 200배 이상이다. 이들 고체전해질의 장점을 조합하는 복합 고체전해질 연구가 진행되고 있다.

계면 저항 : 서로 다른 물질이 접하며 생긴 공간에 높은 저항이 생기는 현상. 앞서 황화물계 고체전해질은 강한 압력을 사용해 전극과 밀착시키는 방식으로, 기존 액체 전해질을 쓸 때는 전극과 전해질 융합이 쉽지만 해당 고체전해질은 이 계면이 균질하지 않아 출력이 불리하고 열화 현상에 취약하다.

박찬진 교수 연구팀은 다양한 종류의 고체전해질을 혼합해 사용, 각각의 단점을 보완하고 효율을 높이는 방법으로 접근했다. 

먼저 산화물 고체전해질 소재를 사용해 특별한 구조의 지지체를 개발했다. 이 지지체는 마치 가시덤불처럼 연속적이고 빈 공간이 있는 다공성 구조로 리튬 이온의 효율적인 이동을 돕는다.

이 지지체를 리튬금속 음극과 고니켈 양극(국내 배터리 3사에서 주로 사용하는 Ni함량이 높은 3원계 양극소재)에 결합한 뒤, 액상 모노머 용액을 주입하고 이를 고분자로 중합(모노머를 이어 붙여 폴리머가 되는 반응)함으로써, 새로운 복합 고체전해질을 만들어냈다. 참고로, 모노머는 작은 분자로, 같은 종류의 모노머들이 화학적 결합을 통해 더 큰 분자인 폴리머(고분자)를 형성한다. 본 연구에서 제조 시 사용된 모노머는 액체상태, 중합이 완료된 고분자(폴리머)는 고체 상태를 갖는다.

이 과정은 리튬 이온이 이동할 수 있는 여러 경로를 만들어 주어 고체전해질의 이온 전도성을 크게 향상시켰다. 또한 전극과 고체전해질 사이의 계면 저항을 줄여 배터리 효율을 높였다.

이렇게 제조된 전고체 배터리는 별도의 압력을 가하지 않고도 상온에서 우수한 성능을 보이며, 기존 리튬이온 배터리와 견줄 수 있는 수준을 달성했다.

박찬진 교수는 “이번 연구 결과는 출력과 계면저항 개선이라는 전고체 배터리 기술의 주요 진전을 나타내며, 특히 전고체 배터리 제조 공정을 단순화하는 데 큰 성과를 거두었다”고 밝혔다.

이번 연구 성과는 재료분야 국제학술지 ‘나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)’에 1월 12일 게재되었다.

논문명은 Construction of a High‑Performance Composite Solid Electrolyte Through In‑Situ Polymerization within a Self‑Supported Porous Garnet Framework 이다.