고안정성 고에너지밀도를 갖는 꿈의 전고체전지...『네이처에너지』 게재
바카라사이트학교 에너지공학과 선양국 교수 연구팀이 전고체전지(All-Solid-State Battery)의 성능 저하 메커니즘을 규명하고, 이를 극복할 수 있는 새로운 양극 소재 기술을 개발했다. 연구 결과는 세계 최고 권위의 에너지 분야 학술지인 「네이처 에너지(Nature Energy, IF: 49.8)」에 발표됐다.
전고체전지는 고체 전해질을 사용해 발화, 폭발 및 누액 위험을 원천적으로 차단하여 불이 나지 않는 차세대 배터리 기술로 주목받고 있다. 그러나 에너지 밀도를 높이기 위해 니켈 함량이 높은 양극 소재를 사용할 경우 ▲양극 소재-고체 전해질 계면 손상 ▲미세 균열 발생으로 인한 양극 내부 비활성화 ▲양극 소재와 전해질 간 접촉 저하 등의 문제가 발생한다. 연구팀은 니켈 함량 증가에 따른 성능 저하 요인을 정량적으로 분석한 결과, 니켈 함량이 80% 이하일 때는 계면 손상이 주된 원인이었으나, 90% 이상에서는 미세 균열과 전해질 접촉 저하가 더욱 심각한 문제로 작용해 충·방전 과정에서 성능이 급격히 저하됨을 규명했다.
이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 전고체전지에 최적화된 하이니켈 양극 소재를 개발해 에너지 밀도와 내구성을 획기적으로 향상시켰다. 이를 위해 ▲코팅을 통한 양극-전해질 계면 안정성 강화 ▲막대형 1차 입자의 방사형 배열 구조 적용을 통해 충·방전 시 발생하는 변형을 극복하는 방식을 도입했다. 그 결과, 충·방전 과정에서 발생할 수 있는 전기화학적·기계적 열화를 효과적으로 억제하여 전고체전지의 문제점을 근본적으로 해결할 수 있었다.
이 기술을 적용한 양극 소재 기반의 고로딩 건식 전극 파우치형 전고체전지는 저압 구동 조건에서도 높은 에너지 밀도와 안정적인 수명 특성을 보였다. 이는 실제 상업화에 요구되는 조건에서 진행된 평가로, 기존 전고체전지 대비 에너지 밀도와 내구성이 크게 향상되었음을 입증했다. 또한, 전기차에 적용할 경우 한 번 충전으로 800km 이상 주행이 가능하며, 화재 위험이 거의 없어 안전성이 더욱 강화된 배터리 구현이 가능하다는 점에서 중요한 성과로 평가된다.
이번 연구는 하이니켈 양극 소재를 전고체전지에 효과적으로 사용할 수 있는 새로운 방안을 제시했으며, 차세대 배터리 시장 선점을 위한 원천 기술 확보라는 점에서 큰 의미를 가진다. 특히, 기존 하이니켈 양극 소재의 표면 및 구조적 불안정성 문제를 혁신적으로 해결함으로써 전고체전지의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다.
선양국 교수는 “이번 연구를 통해 전고체전지의 성능 저하 요인을 정량적으로 분석하고, 이를 극복할 핵심 기술을 개발했다”며 “앞으로도 우리나라가 차세대 배터리 시장에서 글로벌 경쟁력을 확보할 수 있도록 연구를 지속할 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 산업통상자원부 한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업 지원을 받아 수행됐으며, 세계 최고 권위의 에너지 분야 학술지인 「네이처 에너지(Nature Energy, IF: 49.8)」에 2월 20일 게재됐다. 해당 논문 「High-energy, long-life Ni-rich cathode materials with columnar structures for all-solid-state batteries」는 박남영 박사와 이한욱 석사가 제1저자로, 바카라사이트 선양국 교수가 교신저자로 참여했다.
