전기자동차에 사용하는 대용량 이차전지의 안전성 문제가 대두되는 가운데 폭발 위험이 없는 차세대 전고체 전지 신기술에 대한 연구 결과가 나와 주목받는다. 경상국립대는 23일 이 대학 공과대학 나노·신소재공학부 성재경 교수 연구팀 등이 대용량 전극(리튬 음극재)의 안정성과 수명 특성을 극대화하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

경상국립대 성재경 교수. 경상국립대 제공

연구 결과는 세계적인 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced materials)’에 지난 20일 자(현지시각)로 공개됐다.

리튬 음극재는 기존 흑연 음극재보다 10배 이상 큰 용량으로 전기차 주행거리를 대폭 늘릴 수 있어 차세대 배터리의 음극 소재로 주목받는다. 그러나 리튬 음극재는 충전 과정에서 수지상 형태의 성장으로 전해액과 반응하지 않거나 분리막을 파괴해 전고체 배터리는 물론 리튬 이온 배터리의 수명 특성이 급격히 저하되기에 상용화에 여전히 큰 어려움으로 남았다.

경상국립대 공과대학 나노·신소재공학부 성재경 교수 연구팀은 미국 매사추세츠 공과대학(MIT) 주리(Ju Li) 교수팀과 공동 연구를 진행해 전고체 배터리 수명을 저해하는 리튬 음극재의 불균일 성장과 부 반응성을 효과적으로 억제해 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 합성 기술을 개발했다.

이 기술은 나노 실리콘과 카본 나노 튜브(1나노미터는 10억분의 1미터)를 복합화해 만든 얇은 막(규화리튬 합금층)으로 리튬 음극재에 덮어 보호막으로 사용했다. 이 구조를 통해 충·방전 때 발생하는 고질적인 리튬 음극재의 불안정성을 최소화하고 높은 용량과 우수한 수명 특성을 갖는 고안전성 전고체 전지를 구현한 혁신 기술로 주목받는다.

성 교수 연구팀은 실리콘 나노 입자를 사용해 리튬과 (전기) 화학적 합금화를 진행했고 두께가 3마이크로미터(1마이크로미터는 100만분의 1미터)로 매우 얇으며 100나노미터 이하의 기공을 갖는 규화리튬 합금층을 개발했다.

규화리튬 합금층의 합성 및 충방전 거동에 대한 모식도 및 실제 이미지. 경상국립대 제공

성재경 교수는 “실리콘의 합금화 거동과 특성에 대한 심도 있는 고찰로 리튬 음극재 적용 전고체 배터리의 고질적인 문제들을 효과적으로 해결할 새로운 기술을 개발할 수 있었다”며 “본 기술은 가격이 저렴한 실리콘을 이용했다는 점에서 고용량 리튬 음극재를 사용하는 차세대 전고체 배터리의 생산 비용 절감 효과도 있을 것이다”고 말했다.