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전고체 배터리 수명 늘리고 안전해졌다

전기연구원, 양극에 질화리튬 추가… 음극에 인듐 사용
배터리 실험 결과 260회 이상 충방전에도 안정적 작동
한국전기연구원 김병곤 박사팀의 전고체전지 연구결과가 세계적 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)'의 표지논문으로 선정됐다. 전기연구원 제공
한국전기연구원 김병곤 박사팀의 전고체전지 연구결과가 세계적 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)'의 표지논문으로 선정됐다. 전기연구원 제공


[파이낸셜뉴스] 전고체 배터리의 양극에 희생양극으로 질화리튬을 추가하고 음극에 인듐을 사용해 수명을 늘리고 안정적으로 작동하도록 만들었다. 이 재료를 사용해 배터리를 만든 결과 260회 이상 충방전에도 안정적으로 작동됐다. 연구진은 전기차용 전고체 배터리의 상용화를 앞당길 수 있는 성과라고 설명했다.

한국전기연구원(KERI)는 차세대전지연구센터 김병곤 박사팀이 안정성과 수명 특성이 크게 향상된 황화물계 차세대 전고체전지를 개발했다고 8일 밝혔다.

연구진은 배터리 양극의 리튬이온을 충분히 확보하기 위해 질화리튬을 추가해 전기저장용량이 줄어드는 것을 막았다. 또한 배터리 음극에는 인듐을 사용해 충방전을 계속할때 나뭇가지 모양처럼 자라나는 덴드라이트 현상을 억제해 안정성을 높였다.

이를 적용한 전고체 배터리를 만들어 실험한 결과 260회 이상 충방전을 해도 배터리의 용량이 줄어들지 않고 안정적으로 작동했다.

연구진은 개발 성과의 효과를 확인하기 위해 실시간 발생가스와 셀 압력변화 측정, X레이 단층촬영 등의 분석기술을 활용했다. 이를 통해 셀 내부 압력과 음극 접촉면 안정성이 배터리 성능에 긍정적인 영향을 미친다는 사실을 밝혀냈다.

연구진은 현재 쓰이고 있는 리튬이온 배터리가 통상 300~500회의 충방전이 가능하다는 점을 고려하면, 이번 실험결과는 전고체 배터리의 상용화를 앞당길 수 있는 큰 성과라고 설명했다.

연구진에 따르면 300회의 충방전 사이클은 300회 이상 충전을 하고 나면 총 에너지 용량의 절반 이하가 사라져 상품 가치를 잃는다. 주행 거리에 민감한 전기차는 전체 용량의 20%만 닳아도 전지를 교체하는 경우가 많다.

김병곤 박사는 희생양극에 대해 "추가적으로 금속성 리튬음극을 사용하지 않아도 되기 때문에 셀 제작 단계에서 공정과 비용을 최소화하면서 성능도 함께 향상시킬 수 있다"고 설명했다. 또한 인듐음극에 관련해 "인듐의 셀 전압이 낮아 추가적 연구가 필요하긴 하지만, 전고체 배터리의 수명을 좌우하는 음극 분야에서 전지의 장기 안정성의 기반을 마련했다는 측면에서 그 의미가 매우 크다"고 말했다.

연구진은 연구를 지속해 배터리의 효율을 높이고, 인듐 이상의 안정성과 리튬 수준의 전압을 가지는 음극을 개발해 최고 성능의 전고체전지를 개발하겠다는 목표다.

이번 연구결과는 높은 기술 수준을 인정받아 세계적 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 표지논문으로 게재됐다.

한편, 전고체 배터리는 양극과 음극 사이 이온을 전달하는 '전해질'을 화재나 폭발 위험성이 있는 액체 대신 고체를 이용한 배터리다. 하지만 전고체전지는 낮은 충전양과 제조공정 및 양산화의 어려움, 높은 단가 등 상용화까지 해결해야 할 많은 과제를 안고 있다. 특히 고체 형태의 전해질과 양극·음극 그리고 도전재와의 계면 불안정성(입자간 경계에서의 높은 저항), 이로 인한 활성 리튬 손실, 내부단락 발생 등의 문제가 가장 크다.

monarch@fnnews.com 김만기 기자