폭발위험 無 ‘전고체 이차전지’ 상용화 가능성↑

입력 2021-07-13 08:58:06

- ETRI, 고체 전해질 없는 전고체 이차전지 양극 구조 개발

- DIGIST와 입자 간 확산 특성 규명, 에너지밀도 1.3배 높여

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 폭발위험이 없어 차세대 전지로 각광받고 있는 전고체 이차전지 상용화 청신호를 밝혔다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 고체 전해질 없이 활물질로 이황화티타늄(TiS2)만을 사용해 양극을 구성하는 새로운 전극구조를 개발했다고 14일 밝혔다. 이번 연구성과는 에너지분야 국제학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈’ 최신호에 게재됐다.

전고체 이차전지는 배터리에서 이온을 전달하는 전해질로 고체를 적용한 차세대 전지다. 고체 전해질은 가연성이 있는 액체 전해질보다 화재로부터 안전하다. 또한 리튬이온전지에서는 구현이 불가한 바이폴라형 이차전지를 만들 수 있어 에너지 밀도 향상에도 유리하다.

전고체 이차전지의 양극은 주로 전자 전도를 담당하는 도전재, 이온 전도를 담당하는 고체 전해질, 에너지 저장을 담당하는 활물질, 그리고 이들을 물리적, 화학적으로 잡아주는 바인더로 구성된다.

전극 안에서 리튬이온이 원활하게 이동하도록 만들기 위해서는 고체 전해질이 꼭 필요했다. 하지만 고체 전해질 구성비가 늘어나면 상대적으로 활물질이 적게 들어가 에너지 밀도를 늘리는 데 한계가 있었다.

또한 황화물계 고체 전해질이 포함된 복합 전극의 경우, 높은 화학적 반응성으로 인해, 용매 및 바인더 선택이 까다롭고 수분을 극도로 제어해야 하는 등 제조공정이 까다롭다는 단점이 있었다.

ETRI는 고체 전해질 없이 이황화티타늄에 압력을 줘서 입자 간 빈틈이 없게 만든 활물질과 바인더로만 양극을 구성하는 전지 구조를 제안했다.

연구진은 대구경북과학기술원(DGIST) 공동연구팀의 도움을 받아 리튬이온이 직접 이황화티타늄 입자들을 통해 원활하게 확산하는 것을 확인했다. 고체 전해질이 없는 양극 구조로도 전고체 이차전지 성능을 구현할 수 있음을 보인 셈이다.

고체 전해질을 사용하지 않은 만큼 활물질 함량을 늘릴 수 있어 같은 용량에 고체 전해질을 사용했을 때보다 에너지밀도를 1.3배 이상 높일 수 있는 점도 확인했다.

또한 용매와 바인더 선택이 자유롭고 기존 리튬이온전지의 극판 제조공정을 그대로 활용할 수 있어 전고체 이차전지 성능 및 가격경쟁력 향상에 크게 이바지할 수 있다.

이영기 ETRI 지능형센서연구실 책임연구원은 “음극과 양극 모두에서 활물질만으로 이온을 확산할 수 있다는 것을 최초로 확인했다”며 “이 기술을 근간으로 에너지밀도를 더욱 향상할 핵심 원천 기술을 확보하고 상용화에 이바지하겠다”고 밝혔다.

nbgkoo@heraldcorp.com