한국화학연구원은 화재 위험이 없는 차세대 무음극 전고체 전지의 수명을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.

 

전고체 전지는 액체 전해질을 쓰는 기존 리튬이온 배터리와 달리 고체 전해질을 사용하기 때문에 온도 변화에 따른 화재 위험이 적으며, 에너지 밀도를 높일 수 있어 차세대 배터리로 주목받고 있다. 통상 양극과 음극, 리튬이온이 이동하는 고체 전해질로 구성되는데 최근에는 음극을 없앤 전고체 전지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

 

양극과 고체 전해질, 집전체로 된 구조로, 첫 충전 시 양극에서 나온 리튬 이온이 집전체에 달라붙으며 리튬층을 형성해 스스로 음극이 생기도록 하는 방식이다. 일반 전고체 전지보다 부피를 줄일 수 있어 배터리를 소형화할 수 있다.

 

 

다만 충전할 때 리튬 이온이 집전체에 달라붙어 얇은 음극을 형성했다가 방전되면 다시 리튬 음극층이 없어지는 과정이 반복되는데, 이때 생성된 음극과 고체 전해질 사이 경계면이 불균일해지며 안정성이 떨어진다는 단점이 있다.

 

음극 보호막을 만들기 위해 사용하는 은·인듐 등 귀금속은 값이 비싸고 공정이 복잡해 상용화에 한계가 있다. 화학연 안기석·서동범 박사와 충남대 박상백 교수 공동 연구팀은 저렴한 이황화몰리브덴을 집전체에 적용해 수명을 높이는 데 성공했다.

 

반도체 공정에 사용되는 고속 박막 제조 공정인 '금속 유기화학 기상 증착법'을 이용해 스테인리스강 집전체에 이황화몰리브덴 나노시트 박막을 정밀한 두께로 코팅, 충·방전 과정에서 경계면을 안정화했다.

 

이황화몰리브덴은 충·방전 시 리튬과 반응해 몰리브덴 금속과 황화리튬으로 변하는데, 이들은 음극과 고체 전해질 사이에 새로운 층을 형성해 리튬의 덴드라이트(dendrite·나뭇가지 모양의 결정) 형성을 억제해 배터리의 수명과 안정성을 높인다.

 

연구팀이 개발한 이황화몰리브덴 적용 집전체는 300시간 안정적으로 작동했으며, 적용하지 않았을 때보다 수명이 7배 향상됐다.

 

화학연은 “저렴한 이황화몰리브덴 소재를 활용해 기존 귀금속 기반 전고체 전지의 한계를 극복한 점에서 의미 있는 기술”이라며 “2032년 상용화를 목표로 후속 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.

 

헬로티 이창현 기자 |