포스텍 연구팀, ‘나뭇가지 구조’로 전고체 전지 한계 넘었다

연구 이미지. /포스텍 제공

화재 위험이 없어 ‘꿈의 배터리’로 불리는 전고체 전지의 상용화를 앞당길 핵심 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 

포항공과대학교(이하 포스텍) 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수와 김민호 박사 연구팀은 국립부경대 이상호 교수팀과의 공동 연구를 통해 전고체 전지의 전극 접촉 문제를 해결할 새로운 공정 기술을 개발했다고 29일 밝혔다. 

전고체 전지는 내부 액체 전해질을 고체로 바꾼 차세대 배터리다. 안정성은 높지만, 고체 전해질이 전극 구석구석까지 밀착되기 어려워 리튬 이온의 이동이 제한되는 고질적인 기술 장벽이 있었다. 이로 인해 전극 일부만 반응에 참여하게 되어 충전 속도가 느려지고 수명이 짧아지는 한계가 존재했다.

연구팀은 ‘3차원 분지형 구조’에서 해법을 찾았다. 화학기상증착법(CVD)을 이용해 금속 기판 위에 머리카락 굵기의 수백 분의 1 수준인 틴옥사이드(SnO₂) 나노 와이어를 형성하고 이를 나뭇가지처럼 사방으로 뻗어 나가게 설계했다.

이 구조는 가지들이 자라며 생긴 미세한 틈새를 통해 고체 전해질이 전극 내부 깊숙이 침투할 수 있는 통로를 제공한다. 덕분에 리튬 이온이 전극 안팎을 자유롭게 이동할 수 있게 됐다. 

연구팀은 포항가속기연구소의 분석을 통해 고체 전해질이 전극 내부까지 균일하게 스며드는 모습을 직접 확인했다.

이번에 개발된 전극은 기존 방식(슬러리 제조)으로 만든 전극에 비해 높은 전류 밀도에서 약 7배 높은 용량을 기록하며 빠른 충·방전 특성을 보였다. 별도의 첨가물 없이 구조 제어만으로 일궈낸 성과라는 점에서 의미가 크다.

김원배 교수는 “전극 구조 제어는 전고체 전지 설계의 핵심 요소”라고 설명했으며, 이상호 교수는 “전극과 고체 전해질 사이의 접촉 계면을 개선하는 새로운 접근법을 제시했다”고 연구 의의를 밝혔다.

이번 연구 성과는 나노·재료 분야 국제 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 앞표지 논문으로 게재됐다.

/단정민기자 [e-mail]