전극을 두껍게 만들면 배터리 성능이 떨어진다는 기존 상식이 뒤집혔다. 두꺼운 전극도 버티는 차세대 배터리가 개발됐다. 

포스텍은 강병우 신소재공학과·배터리공학과 교수, 우승준 신소재공학과 박사(現 LG에너지솔루션), 박준형 통합과정생 연구팀이 기존보다 수십 배 두꺼운 양극을 사용하면서도 안정적으로 작동하는 전고체 배터리 플랫폼을 구현하고 연구 결과를 국제학술지 ‘재료 화학 저널 A’에 발표했다고 9일 밝혔다. 

전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체를 사용하는 차세대 배터리다. 불이 날 위험이 낮고 에너지를 더 많이 저장할 수 있어 ‘꿈의 배터리’로 불린다. 문제는 고체 안에서는 리튬 이온이 느리게 움직이기 때문에 전극을 두껍게 만들면 내부 저항이 커지고 성능이 급격히 떨어진다는 점이다. 

연구팀은 리튬 이온이 지나가는 길을 개선하는 방법을 찾았다. 기존 고체 전해질 소재인 ‘리시콘형 산화물 고체 전해질’(LSPO)에서 규소(Si)와 인(P) 일부를 게르마늄(Ge)으로 바꾸자 이온이 이동할 수 있는 통로가 넓어지고 통로 간 연결이 촘촘해졌다. 그 결과 이온 전도도는 기존 대비 약 5배 향상됐다. 

연구팀이 개발한 고체 전해질 소재는 양극 소재와 가열만으로 단단하게 결합하는 공소결(둘 이상의 물질을 고온에서 하나의 입자로 만드는 공정)이 가능하다. 또 음극 소재인 리튬 금속이 고르게 증착하도록 외부 압력을 가할 필요도 없다. 

연구팀은 약 140㎛(마이크로미터, 100만분의 1미터) 두께의 ‘매우 두꺼운 양극(Ultra-thick electrode)’을 적용한 전고체 배터리를 구현하는 데 성공했다. 일반적인 전극보다 수십 배 두꺼운 수준으로 ‘두꺼우면 작동하지 않는다’는 전고체 배터리의 한계를 극복했다.  

연구팀이 제작한 배터리는 상온에서 안정적으로 작동했고 부피 기준 에너지 밀도는 841Wh/L(와트시퍼리터, 1L 안에 저장할 수 있는 에너지양)에 달했다. 기존보다 작고 가벼운 배터리로 더 많은 에너지를 저장할 수 있다는 의미다. 

강 교수는 “산화물계 전고체 배터리에서 두꺼운 전극을 도입해 에너지 밀도를 획기적으로 높일 수 있음을 증명했다”며 “안전성과 에너지 밀도를 동시에 만족하는 차세대 리튬 금속 전고체 배터리 상용화에 중요한 돌파구가 될 것”이라고 말했다.  

<참고 자료> 

doi.org/10.1039/D6TA00467A