한국전기연구원 연구팀이 전고체전지의 리튬 금속 음극과 고체전해질 사이에서 발생하는 접촉 불안정을 줄이는 중간층 기술을 개발했다. 연구팀은 나노 주석을 활용한 이 기술을 대면적 파우치 셀에 적용해 낮은 압력 조건에서도 충·방전 성능을 확인했다.

한국전기연구원(KERI)은 4월 27일 전지소재·공정연구센터 남기훈 박사팀의 관련 연구 성과가 국제 학술지 ‘Advanced Energy Materials’ 전면 표지 논문으로 선정됐다고 밝혔다. 이번 연구에는 김가람 UST 석사 졸업생과 임소정 KERI-창원대 학연과정 학생 연구원이 공동 제1저자로 참여했다.

전고체전지는 액체 전해질 대신 고체전해질을 사용하는 차세대 전지다. 화재 위험을 낮추고 에너지 밀도를 높일 수 있다는 점에서 주목받지만, 리튬 금속 음극을 적용할 경우 고체전해질과 맞닿는 경계면에서 저항이 커지는 문제가 발생한다. 충·방전 과정에서 리튬이 불균일하게 자라는 덴드라이트 현상도 수명 저하 요인으로 꼽힌다.

기존 연구에서는 고체 간 접촉을 유지하기 위해 높은 압력을 가하거나 별도 코팅 공정을 적용하는 방식이 사용돼 왔다. 그러나 고압 구동 조건은 전지 시스템의 무게와 비용을 늘릴 수 있어 실제 전기차나 에너지저장장치 적용에는 부담이 있었다.

연구팀은 리튬과 반응성이 있는 나노 주석 분말로 얇은 중간층을 만들고, 이를 전사 공정으로 리튬 금속 음극 표면에 붙이는 방식을 적용했다. 전사 공정은 별도 기판에 만든 기능성 층을 대상 표면으로 옮기는 방식으로, 반응성이 큰 리튬 금속에 직접 코팅하기 어려운 한계를 줄일 수 있다.

실험 결과, 해당 기술을 적용한 대면적 파우치 셀은 2MPa 압력 조건에서 500회 충·방전 후 81% 이상의 용량 유지율을 보였다. 에너지 밀도는 351Wh/kg으로 측정됐다. 연구팀은 제1원리 계산 기반 시뮬레이션을 통해 주석 합금이 리튬 이동과 계면 저항에 미치는 영향도 분석했다.

이번 기술은 국내 특허 출원이 완료됐다. 연구팀은 향후 전기차, 휴머노이드, 에너지저장장치 등 고성능 전지가 필요한 분야를 염두에 두고 상용 제조 공정에 맞춘 후속 연구를 이어갈 계획이다.