본문영역
占싱노베占싱쇽옙
占쏙옙占쎈영占쏙옙
연구성과 사례
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 내 팔처럼 움직이는 양팔 로봇, 위험한 재난현장 인명구조에 나선다 |
占쏙옙占쏙옙占� 이차전지 소재개발로 배터리 안정성과 출력성능 한 번에 잡는다 |
이차전지 소재개발로 배터리 안정성과 출력성능 한 번에 잡는다.
- 산화물계 전고체전지 상용화를 위한 일체형 복합양극소재 개발
생기원 서남본부 스마트에너지나노융합연구그룹 임진섭 박사 ⓒ한국생산기술연구원
전기자동차의 엔진 역할을 하는 배터리에 널리 사용되는 리튬이온전지는 다양한 이슈가 있지만, 가장 중요한 성능을 꼽는다면 안전성이다.
리튬이온전지가 중대형 에너지 저장매체로 활용되기 위해서는 현재 수준보다 획기적으로 향상된 가격경쟁력, 에너지밀도, 안정성이 요구된다. 기존의 리튬이온전지는 인화성 유기용매 기반의 액체전해질을 활용하기 때문에 전기화학 반응이 잘 일어나 전지 성능이 우수하지만, 외부가 손상되거나 전지가 과열될 시 유기용매의 증발에 의한 배터리 팩의 부피 팽창 및 폭발의 위험성이 있다.
반면, 고체전해질의 경우 온도변화에 따른 증발이나 외부 충격으로 인한 누액 위험 등이 원천 차단되기 때문에 이를 활용하면 매우 안전한 차세대 전지를 만들 수 있다. 고체전해질 기반 전고체 전지가 폭발 및 화재 위험을 획기적으로 줄일 수 있는 차세대 배터리로 각광을 받는 이유다.
생기원 서남본부 스마트에너지나노융합연구그룹 임진섭 박사 연구팀이 개발한 복합양극소재와 이를 이용한 전고체전지 시제품. ⓒ한국생산기술연구원
전고체 전지는 고체전해질 종류에 따라 산화물, 황화물, 고분자 계열로 분류된다. 그리고 산화물계 전고체전지의 양극 구조는 크게 고체전해질과 전자 전도를 담당하는 도전재, 전지 용량을 좌우하는 활물질, 그리고 이들을 결착시켜 전극을 물리적으로 안정화해주는 바인더로 구성된다.
고체전해질을 활물질 입자에 코팅…전극 내 남는 부피에는 활물질 배치해 ‘효율화’
생기원 서남본부 스마트에너지나노융합연구그룹 임진섭 박사 ⓒ한국생산기술연구원
최근 연구가 활발한 산화물계 전고체 전지의 에너지 밀도를 극대화한 일체형 복합양극소재가 한국생산기술연구원 서남본부에서 개발됐다. 쿠에트 테일러 반응기를 이용해 비정질 상태의 리튬-란탄-지르콘-산소(LLZO) 소재의 고체전해질을 니켈-코발트-망간(NCM) 하이니켈 양극 활물질 입자 주변에 코팅한 것이다.
이 소재를 이용하면 전고체 전지의 전극 내에 고체전해질을 따로 배치하지 않아도 되므로 배터리 부피를 줄일 수 있다. 대신 그만큼의 부피를 활물질 배치에 활용할 수 있기 때문에 에너지 밀도는 극대화된다.
임진섭 박사는 기존 리튬이온배터리가 현재 산화물계 전고체 전지보다 에너지밀도 및 성능 면에서 다소 우위인 상황이지만, 배터리 팩 안전성을 강화하기 위해 별도의 냉각시스템이 필요해 그 부피가 커지는 문제점이 있다고 설명했다. 하지만 산화물 기반의 전고체 전지를 적용하게 되면 냉각시스템이 필요 없으며 그 만큼의 부피를 전지로 채워 넣을 수 있어 부피당 에너지 밀도에서 유리하다.
또한 산화물계 전고체 전지 역시 양극 소재로 무엇을 쓰느냐에 따라 에너지의 밀도 조절이 가능하다. 연구팀은 고용량 양극소재인 하이니켈 NCM 양극 활물질에 비정질 산화물 고체 전해질을 양극 입자 주변에 코팅하는 방법으로 에너지 밀도가 높은 전고체 전지용 양극복합소재를 개발하였다. 가격적인 측면에서도 고체 전해질과 활물질 등 원료 가격이 높은 편이므로 이들 소재를 최소화하기 위해서는 코팅을 통한 일체형 소재가 유력한 대안인 셈이다.
또한 코팅 방법으로 고체 전해질과 양극 입자 사이의 계면(界面) 저항도 확실하게 줄였다. 이 계면 저항은 학계에서 전고체 전지의 단점 가운데 하나로 제기되어 왔었다.
“전고체 전지의 성능은 전극 내 입자간의 계면 및 전극-전극 계면 저항에 의해 좌우됩니다. 양극의 활물질과 고체전해질을 붙이는 수준을 넘어서 활물질에 고체전해질을 코팅해 버리면 계면저항은 거의 완벽에 가깝게 최소화할 수 있습니다.”
임진섭 박사. ⓒ한국생산기술연구원
이번 연구는 지난해 생기원 김호성 박사 연구팀이 개발한 바이폴라 구조 차세대 전고체 전지 제조기술에 기반을 두고 있다. 이 전지 역시 산화물계 고체전해질 소재를 사용해 폭발과 화재 위험이 없는 안전한 전지다.
김호성 박사는 안전성은 높지만 제조 원가가 비싸고 이온전도도가 낮은 LLZO 소재의 생산비용을 최소화하고 이 소재를 나노화하는 데 성공했다. 김 박사가 개발한 나노소재는 이온전도도를 세계 최고 수준으로 향상시켰으며 이를 고강도 이온전도성 바인더와 결합해 복합고체전해질 시트로 제작했다.
임진섭 박사의 연구는 복합고체전해질 시트를 만드는 데 사용된 나노 소재(고체전해질)를 하이니켈 양극 활물질에 바로 코팅해 일체화하는 방식으로 전고체 전지의 단점인 입자간 계면 저항을 극복한 것이다. 임 박사는 “전기차 화재로 인해 안전성에 대한 관심이 높아진 만큼 전고체 전지의 안전성과 에너지 밀도를 동시에 잡을 수 있는 최고의 선택이다”고 강조했다.
임 박사에 따르면 현재 전고체전지의 응용범위는 전기차로만 국한되지 않는다. 신재생에너지를 충전해 사용하는 ESS(에너지저장장치) 전원으로도 주목받고 있다. 또한 전동 킥보드와 같은 개인형 이동수단에도 적용할 수 있으며, 캠핑용 전원이나 각종 전동공구의 전원으로도 손색이 없다. 최근에는 심박조율기나 신경자극기와 같은 이식형 의료기기에도 활용되고 있다.
한편 이번 연구결과는 양극재 표면 개질이 산화물 기반 전고체 배터리에 미치는 영향을 주제로 ‘Journal of Material Chemistry A’에 10월 게재됐다. 임진섭 박사는 “선행 연구 주제를 발전시켜 출력 성능과 안전성 면에서 향상된 양극 소재를 개발해 산화물 기반 전고체 리튬 전지의 상용화에 한 걸음 더 다가가게 됐다”고 말했다.