포스텍(POSTECH) 연구팀이 전극을 두껍게 만들수록 배터리 성능이 떨어진다는 기존 상식을 뒤집고, 기존보다 수십 배 두꺼운 전극에서도 안정적으로 작동하는 차세대 전고체 배터리 플랫폼을 개발했다.
강병우 포스텍 신소재공학과·배터리공학과 교수, 우승준 박사(현 LG에너지솔루션), 통합과정 박준형 씨 연구팀은 이온 전도도를 획기적으로 높인 고체 전해질을 통해 초고밀도 전고체 배터리를 구현하는 데 성공했다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A)'에 게재됐다.
'꿈의 배터리'로 불리는 전고체 배터리는 화재 위험이 낮고 에너지 밀도가 높지만, 고체 내에서 리튬 이온의 이동 속도가 느려 전극을 두껍게 만들면 성능이 급격히 저하되는 한계가 있었다.
연구팀은 기존 리시콘형 산화물 고체 전해질(LSPO) 소재의 구성 원소 일부를 게르마늄(Ge)으로 대체하는 전략으로 이 문제를 해결했다. 이온이 이동하는 통로를 넓히고 촘촘하게 연결함으로써 이온 전도도를 기존 대비 약 5배 향상시켰다.
특히 새롭게 개발된 소재는 양·음극과의 접촉성이 우수해, 단순 가열만으로 전극과 단단히 결합한다. 연구팀은 이를 바탕으로 일반적인 전극보다 수십 배 두꺼운 약 140㎛ 두께의 '초두꺼운 양극'을 적용한 전고체 배터리를 구현했다.
이 배터리는 상온에서 안정적으로 작동했으며, 부피 기준 에너지 밀도는 841Wh/L를 기록해 압도적인 에너지 저장 효율을 증명했다.
강병우 교수는 “산화물계 전고체 배터리에 두꺼운 전극을 도입해 에너지 밀도를 획기적으로 높일 수 있음을 증명한 사례”라며, “안전성과 에너지 밀도를 동시에 만족하는 차세대 리튬 금속 전고체 배터리 상용화의 중요한 돌파구가 될 것”이라고 강조했다.
한편, 이번 연구는 산업통상자원부의 '이차전지 첨단전략산업 글로벌 지원 사업' 및 '기판실장용 산화물계 초소형 적층 전고체전지개발 사업'의 지원으로 수행됐다
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
