한국세라믹기술원(원장 정연길)은 에너지저장소재센터 정대수 박사를 중심으로 고려대학교 강윤찬 교수 연구팀, 아주대학교 박진성 교수 연구팀, 미국 매사추세츠공과대학교(MIT) 주리(Ju Li) 교수 연구팀 공동 연구로 차세대 전고체 배터리 에너지 밀도를 극대화할 수 있는 혁신적인 전극 제조 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.
전고체 배터리는 액체 전해질 기반으로 폭발 가능성이 있는 리튬이온 배터리의 대안으로 주목받지만 활물질과 고체 전해질 간 높은 접촉 저항과 불균일한 분포로 인해 높은 에너지 밀도 구현이 어려운 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해 정대수 박사 연구팀은 '글리터 케이크(Glitter-cake)' 형태의 코어-쉘 구조를 적용한 혁신적인 전극 설계 기술을 개발해 전고체 배터리 에너지 밀도를 획기적으로 향상시키는데 성공했다.
코어-쉘 구조는 활물질을 고체 전해질이 균일하게 감싸는 형태로 설계해 전기화학적 성능과 안정성을 모두 높이는 게 목표다. 이 구조는 얇은 고체 전해질 층을 통해 리튬 이온과 전자의 이동을 최적화하며 높은 활물질 함량에서도 우수한 에너지 밀도를 구현했다.
특히 이번 연구에서는 건식 코팅 공정을 활용해 양극 활물질의 1차 입자 사이에 고체 전해질을 균일하게 코팅한 글리어 케이크 구조 복합 소재를 제조했다.
이를 통해 활물질 표면을 균일하게 덮는 얇은 고체 전해질 쉘을 형성해 리튬 이온 전도성을 극대화하는 동시에 전자 전도성을 유지하는 데 성공했다.
또 입도가 정밀하게 제어된 고체 전해질 입자를 적용해 전극 내부와 전극-전해질 계면에서의 공극을 최소화함으로써 전극 내 활물질 간 공극을 효과적으로 제거했다.
정대수 박사는 “이번 연구를 통해 차세대 전고체 배터리의 고에너지 밀도화를 위한 전극 제조 기술 및 방향성을 제시했으며 향후 전기차 주행거리를 확장하는데 기여할 수 있을 것으로 예상된다”고 말했다.
이번 연구 성과는 산업통상자원부가 주관하고 한국산업기술기획평가원이 지원하는 소재부품기술개발사업을 통해 달성한 것으로 나노과학·나노기술·소재과학·에너지 저장 및 변환 분야 권위 있는 국제 학술지 '나노-마이크로 레터스'에 2025년 1월 온라인 게재됐다.
진주=노동균 기자 defrost@etnews.com
