합금음극

[KERI TV]전기차 주행거리 한계와 안전성 개선을 위한 꿈의 배터리, 전고체전지 핵심소재 원천기술 개발!

리튬이온 배터리는 현대 사회의 필수품이지만 액체 전해질의 특성상 온도가 높아지면 부피가 팽창하거나 폭발할 위험을 안고 있습니다. 이를 극복하기 위해 등장한 전고체 배터리는 모든 구성 요소가 고체로 이루어져 안전성이 매우 뛰어나며 에너지 밀도를 획기적으로 높일 수 있어 '꿈의 전지'라 불립니다. 전기차의 주행거리를 연장하고 안전성 이슈를 근본적으로 해결할 수 있는 핵심 기술로서, 현재 연구팀은 전고체 배터리의 상용화를 위한 원천 소재 기술 확보에 매진하며 차세대 에너지 시장의 대전환을 준비하고 있습니다. 전고체 배터리 상용화의 가장 큰 장벽 중 하나는 높은 생산 비용입니다. 특히 기존의 황화물계 고체 전해질은 고가의 원료를 필요로 하여 경제성이 떨어지는 문제가 있었습니다. 이를 해결하기 위해 저순도의 저가 원재료로도 고성능 전해질을 대량 생산할 수 있는 특수 습식 합성법이 독자적으로 개발되었습니다. 이 공법은 기존 대비 비용을 10분의 1 수준으로 낮추면서도 리튬이온 배터리의 기존 생산 라인을 최대한 활용할 수 있어, 전고체 배터리의 대중화를 앞당길 혁신적인 솔루션으로 평가받고 있습니다. 고체 전해질의 성능을 극대화하기 위해서는 제조 공정 중 발생하는 이온 전도도 저하 문제를 해결해야 합니다. 일반적으로 고온 소결 후 미세하게 분쇄하는 과정에서 전도도가 떨어지지만, 최근에는 저온 공정에서도 높은 성능을 유지하는 소재 기술이 개발되었습니다. 또한, 황화물계 소재가 공기 중 수분과 반응해 유독한 황화수소 가스를 발생시키는 단점을 보완하기 위해 원소 치환 기술이 도입되었습니다. 이를 통해 가스 발생량을 4분의 1 수준으로 줄이면서도 안전하고 효율적인 전지 제조가 가능해졌습니다. 배터리의 수명과 직결되는 음극 기술에서도 괄목할 만한 성장이 있었습니다. 리튬 금속 음극은 충·방전 시 나뭇가지 모양의 수지상(덴드라이트)이 성장하여 내부 단락을 일으키는 고질적인 문제가 있었으나, 은과 리튬을 결합한 새로운 합금 음극 기술로 이를 극복했습니다. 물리적 보호막 역할을 하는 금속 간 화합물 층은 수지상(덴드라이트) 성장을 억제하고 빠른 방전 출력을 가능하게 합니다. 여기에 희생 양극과 인듐 음극을 도입해 리튬 손실을 막고 셀 내부 압력을 최적화함으로써 장수명 특성을 구현하는 데 성공했습니다. 전고체 배터리가 실험실을 넘어 실제 시장에 나오기 위해서는 소재를 정교하게 쌓고 대면적화하는 공정 기술이 필수적입니다. 소재와 바인더, 용매를 균일하게 혼합하여 전극과 멤브레인 시트를 제작하고, 이를 유기적으로 통합하는 기술은 고에너지 밀도 전지 구현의 핵심입니다. 최근 연구를 통해 2배 이상 두께의 양극 제조와 직·병렬 적층 연결 기술이 확보되면서 안정적인 구동이 가능한 파우치형 전고체 배터리가 완성되었습니다. 이러한 성과는 향후 전기차와 에너지 저장 장치 분야의 패러다임을 바꿀 중요한 초석이 될 것입니다.