KETI-성균관대, 전고체전지 이온·전자 전도성 향상 기술 개발

고체 전해질·CNF 복합체 개발…이온·전자 전도 동시 향상

재료화학 분야 국제학술지 게재 성과

전고체 전지의 충·방전 속도와 수명 개선을 위한 핵심 기술 개념도.ⓒ한국전자기술연구원(KETI)

한국전자기술연구원(KETI)은 성균관대학교 연구팀과 함께 전고체 전지의 충·방전 속도와 수명 개선을 위한 핵심 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

전고체 전지의 전극은 일반적으로 활물질, 고체 전해질, 도전재를 혼합해 구성된다. 하지만 고체 전해질 함량이 증가하면 이온 전도성은 높아지는 반면 전자 이동이 저해된다. 도전재인 카본 블랙의 함량이 증가하면 전자 전도성은 향상되지만 이온 이동이 제한돼 이온과 전자 전도성을 동시에 극대화하는 것이 주요 기술적 과제로 남아 있다.

KETI 차세대전지연구센터와 김영준 성균관대 나노과학기술원 교수 연구팀은 고체 전해질과 탄소 나노섬유(CNF)를 함께 합성하는 방식을 개발함으로써 전고체 전지의 이온 및 전자 전도성을 동시에 향상시키고 충·방전 속도와 수명이 개선됨을 확인했다.

구체적으로 연구진은 고체 전해질 합성 과정에서 탄소 나노섬유(CNF)를 균일하게 분산시키는 기계적 밀링과 열처리 공정을 적용한 복합화 방식을 적용했다.

기술 개발을 주도한 김경수 박사(수석연구원)는 "본 기술은 기존 고체 전해질 합성 공정에 CNF를 추가하는 비교적 단순한 방식으로 구현되어 상업적 적용이 용이할 것으로 기대된다"며 "센터는 연구 결과를 바탕으로 전고체 전지 성능 극대화를 위한 요소 기술 개발에 집중할 계획"이라고 밝혔다.

한편 황화물계 고체 전해질은 이온 전도도가 높지만 탄소와의 산화반응으로 충·방전 반복 시 성능이 저하되는 문제가 있었다. 하지만 이번 기술을 적용하면 100회 충·방전 후에도 용량 유지율이 기존 대비 약 35% 향상되는 것으로 확인됐다.

KETI의 연구 성과는 그 우수성을 인정받아 재료화학 분야 국제 학술지인 '재료화학 A 저널(Journal of Materials Chemistry A, IF=10.7)' 최신 호에 게재됐다.

송준호 KETI 차세대전지연구센터 센터장은 "연구진은 차세대배터리의 소재 및 전극 기술부터 전지 제조 기술까지 폭넓은 연구를 진행하고 있으며 특히 충청북도 오창에 리튬이차 전지 및 전고체 전지 평가·분석 시설 구축을 추진하고 있다"며 "KETI는 배터리 분야 국내 핵심 거점으로서 전고체 전지 상용화 연구에 주력하겠다"고 밝혔다.