[세종=뉴스핌] 김기랑 기자 = 한국전자기술연구원(KETI)은 고려대 유동주 교수팀, 성균관대 윤원섭 교수팀과 함께 전고체전지의 에너지 밀도와 안전성을 증가시키는 리튬금속 보호층 기술 개발에 성공했다고 5일 밝혔다.

전고체전지는 기존 리튬이차전지와 달리 고체 형태의 전해질로 구성돼 폭발 위험이 없어 안전하면서도 에너지 밀도가 높다는 장점이 있다. 현재 기술 상용화를 위한 범국가적 연구·개발(R&D) 경쟁이 치열한 상황이다.

리튬금속 음극은 기존 흑연 음극에 비해 에너지 밀도가 높아 최적의 소재로 평가받고 있다. 그러나 리튬금속 음극은 전해질과 반응해 부반응을 일으키고, 충전 시 음극 표면에 덴드라이트(리튬이온이 음극 표면에 과도하게 축적되는 현상)가 발생하는 문제가 있다. 이는 전지 폭발 등 화재 가능성을 높이며 전지 수명을 저하시키는 원인이 된다.

리튬금속 전고체전지 구성 모식도(왼쪽)와 파우치형 셀 성능 평가 결과(오른쪽). [자료=한국전자기술연구원] 2024.09.05 rang@newspim.com

KETI 차세대전지연구센터는 나노 입자의 실리콘 분말을 활용해 높은 이온 전도성을 가진 리튬금속 보호층을 개발함으로써 최종적으로 리튬금속 전고체전지의 출력 성능을 향상시켰다.

기술 개발을 주도한 이긍종 연구원과 최승호 박사는 나노 사이즈의 실리콘 분말로 구성된 보호층은 리튬금속과 실리콘·리튬 합금을 형성해 음극 표면의 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있음을 확인했다.

또 이번 연구를 통해 개발된 합금 보호층 기술을 제작 공정에 적용해 높은 출력 환경에서의 안전성을 확보했으며, 파우치형 셀 검증을 통해 기술의 상용 가능성을 증명할 수 있었다.

KETI의 이런 연구 결과는 에너지화학 분야의 저명한 국제 학술지인 ACS 에너지 레터스 최신호에 게재되는 성과를 이뤘다.

이번 성과는 산업통상자원부와 한국산업기술기획평가원의 지원을 받은 자동차산업기술개발사업, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 STEAM 연구사업을 통해 개발됐다.

유지상 KETI 차세대전지연구센터 센터장은 "연구진이 개발한 리튬금속 보호층 기술은 향후 대면적화가 가능해 향후 전고체전지 성능을 향상시키는 핵심 기술이 될 것으로 기대한다"고 전했다.

ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters) 최신호(8월) 표지 [자료=한국전자기술연구원] 2024.09.05 rang@newspim.com

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