국내 연구진이 지난해 전고체 이차전지용 음극 구조를 개발한데 이어 이번에 양극 구조까지 개발했다.
한국전자통신연구원(ETRI·원장 김명준)은 고체 전해질 없이 활물질로 이황화티타늄(TiS₂)만 사용해 양극을 구성하는 새로운 전극 구조를 개발했다고 13일 밝혔다.
관련 성과는 지난달 에너지 스토리지 머티리얼즈에 온라인 등재됐다.
전고체 이차전지는 전해질로 고체를 쓰는 차세대 전지다. 고체 전해질은 화재로부터 안전하다. 또 바이폴라형 이차전지(내부에 전극이 직렬 연결된 고전압 이차전지)를 만들 수 있어 에너지 밀도 향상에도 유리하다.
전고체 이차전지 양극은 주로 전자 전도를 담당하는 도전재, 이온 전도를 담당하는 고체 전해질, 에너지를 저장하는 활물질, 이들을 잡아주는 바인더로 구성된다. 고체 전해질 구성비가 늘어나면 활물질이 적게 들어가 에너지 밀도를 늘리는 데 한계가 있다. 또 황화물계 고체 전해질이 포함된 복합 전극은 물과 반응해 황화수소 가스가 생성될 수 있어 용매 및 바인더 선택이 까다롭다.
ETRI는 고체 전해질 없이 TiS₂에 압력을 가해 입자 사이 빈틈을 없앤 활물질, 바인더로만 양극을 구성했다.
대구경북과학기술원(DGIST) 공동연구팀 도움으로 리튬이온이 직접 TiS₂ 입자를 통해 확산하는 것을 확인했다. 고체 전해질이 없는 양극 구조로도 전고체 이차전지 성능을 구현했다. 활물질 함량이 늘어나 같은 용량에 에너지밀도를 1.3배 이상 높일 수 있는 점도 확인했다.
용매와 바인더 선택이 자유롭고 기존 리튬이온전지 극판 제조공정을 그대로 활용할 수 있어 전고체 이차전지 성능 및 가격 경쟁력 향상에 크게 이바지할 수 있다.
연구진은 해당 활물질을 나노화하면 전기화학적 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 이론적으로 예측하고 이를 실험적으로 검증하면서 본 성과를 낼 수 있었다고 밝혔다. 기존에 흑연을 기반으로 한 음극 구조를 개발한 경험과 노하우도 한몫을 했다.
이영기 ETRI 지능형센서연구실 책임연구원은 “음극·양극 모두에서 활물질만으로 이온을 확산할 수 있다는 것을 최초로 확인했다”며 “에너지밀도를 더욱 향상할 핵심 원천 기술을 확보하고 상용화에 이바지하겠다”고 밝혔다.
한편 ETRI는 이번 성과를 기반으로 전고체 전지 관련 후속 연구를 진행할 예정이다. 또 전지 구조를 종합하면서 출력 특성을 개선할 수 있는 연구도 병행할 계획이다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com