남기훈 박사팀 리튬금속 음극 및 고체전해질 간 계면 불안정성 해결
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| KERI 남기훈 박사(왼쪽) 및 김가람 연구원(UST 석사과정 졸업)이 중간층을 만드는 롤프레스 장비 앞에서 성과물을 선보이고 있다. [KERI 제공] |
한국전기연구원(KERI)은 전지소재·공정연구센터 남기훈 박사팀이 리튬금속 음극과 고체전해질 간 계면 불안정성을 해결해 전고체전지의 안전성과 성능을 동시에 높이는 ‘중간층(Interlayer)’ 기술을 개발했다고 11일 밝혔다. 이번 성과는 실험실 단계를 넘어 실용화 수준의 파우치셀 제작과 성능 검증까지 마친 것이어서, 차세대 배터리 상용화를 앞당길 핵심 기술로 주목된다.
리튬금속은 기존 상용 배터리의 흑연 음극보다 10배 이상 높은 에너지 저장 용량을 지녀 고에너지 밀도 배터리의 핵심 소재로 꼽힌다. 하지만 충·방전 과정에서 전극 표면에 ‘수지상 결정(dendrite)’이 형성돼 단락을 일으키고, 전지 수명과 안전성을 크게 떨어뜨리는 것이 그간의 난제였다.
이 문제는 액체 전해질뿐 아니라 고체전해질을 쓰는 전고체전지에서도 발생하며, 특히 리튬금속과 고체전해질 계면에서 화학 반응이 쉽게 일어나 안정성과 성능을 동시에 제한해 왔다.
연구팀은 이러한 구조적 한계를 극복하기 위해 리튬 저장이 가능한 삼원계 화합물(Li₂ZnSb)을 얇은 막으로 코팅한 ‘중간층’을 고안했다. 이를 전사(transfer printing) 방식으로 리튬금속 위에 부착해 계면의 화학 반응을 억제하고 완충 임무를 수행하도록 했다. 금오공대 박철민 교수팀과의 공동연구로 소재의 리튬 저장 메커니즘을 과학적으로 규명하며 공정 재현성과 안정성을 높였다.
개발된 중간층 기술을 적용한 파우치셀 전고체전지는 낮은 가압 조건(2MPa)에서도 250사이클 동안 92% 이상의 용량 유지율을 보였으며, 에너지 밀도는 320Wh/kg에 달했다. 이는 현재 상용 리튬이온전지보다 훨씬 높은 수치로, 대면적·대용량 전고체전지 실용화 가능성을 입증한 결과다.
연구 성과는 미국 화학회 발행의 세계적 학술지 ‘ACS Energy Letters’(Impact Factor 18.2, 분야 상위 4.1%)에 게재됐으며, 관련 특허도 이미 확보했다. 남기훈 박사는 “중간층 설계와 전사 공정 기반 대면적 확장 가능성을 동시에 확보함으로써 산업 현장에서의 활용도가 높다”고 밝혔다.
KERI는 이번 기술을 바탕으로 산학연 공동연구를 확대해 장기 성능 평가와 제조 공정 최적화를 병행하고, 미래 모빌리티와 에너지저장장치(ESS) 등 고에너지 밀도·장수명·안정성을 요구하는 분야의 상용화를 목표로 하고 있다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관인 KERI 기본사업과 글로벌탑 전략연구단(GT-3) 과제를 통해 수행됐다.
