문장혁 교수 연구팀(왼쪽부터 Trung Dinh Hoang, 김재현, 문장혁 교수)

에너지시스템공학부 문장혁 교수 연구팀이 황화물계 전고체전지용 양극활물질과 고체전해질을 최적으로 혼합할 수 있는 기술을 개발했다.

전고체전지는 화재나 폭발 위험이 극히 낮아 차세대 전지로 주목받고 있다. 하지만, 고체라는 특성상 기존 액체 전해질 기반 전지보다 높은 기술력이 요구되며 제조하기도 어렵다. 

특히, 전극판 제조 시 내부의 양극활물질과 고체전해질, 도전재, 바인더의 효과적인 혼합과 분산은 난제 중의 하나로 알려져 있다. 전자와 리튬이 잘 전달될 수 있는 구조로 채널(통로)을 만들어야 하고, 접촉면에서의 계면 저항도 낮아야 하는 등 조건이 매우 까다롭기 때문이다.

현재까지는 양극활물질과 고체전해질을 복합화하기 위해 습식 혹은 건식 환경에서 기계적으로 단순 혼합해 수십에서 수백 마이크로미터(1백만분의 1미터) 두께로 제조하는 방식이나 양극활물질 표면을 고체전해질로 감싸는 ‘코어-쉘(Core-shell)’ 구조 방식 등이 활용됐다. 하지만, 이러한 경우에도 전자나 이온의 이동이 원활하지 않은 경우가 빈번했다. 계면 저항을 낮게 형성하는 것도 쉽지 않았다.

블레이드 밀을 통한 양극활물질과 고체전해질의 최적 혼합 코팅 비율 실험 및 검증

연구팀은 양극활물질에 고체전해질을 부분적으로 코팅하는 방법을 활용했다. 고체전해질은 산소와 수분에 민감해 잘못 활용되면 열화가 발생한다. 하지만, 연구팀은 화학 반응을 일으키지 않는 일명 ‘불활성(비활성) 기체’를 사용할 수 있는 특수 장비 ‘블레이드 밀(blade mill)’을 개발했고, 다양한 형태의 고체전해질 코팅 구조를 연구했다. 그 결과 양극활물질과의 최적 혼합 비율 등을 실험·검증할 수 있었다.

이후 다양한 시뮬레이션을 통해 전고체전지의 ‘활물질 이용률(이론 용량 대비 실제 구동 용량)’과 ‘율특성(저전류 충·방전 대비 고속 충·방전)’을 향상시킬 수 있는 다수의 데이터를 확보했다. 그 결과를 시제품(파우치 셀)까지 적용해 전고체전지의 성능 향상을 확인하는 데 성공했다.

전고체 전지 해석 시뮬레이션을 통한 전기화학 특성 및 기계적 안정성 평가 결과

상세한 연구 성과는 에너지 분야 국제 저명 학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)’에 게재된 논문을 통해 확인 가능하다. 에너지 스토리지 머티리얼스는 학술지의 영향력을 평가하는 ‘JCR Impact Factor’ 18.9를 기록한 학술지로 해당 분야 상위 5%에 속한다.

문장혁 교수 연구실 소속 에너지시스템공학과 Troung, Dinh Hoang 석박사통합과정생이 공동 제1저자로 주요 연구를 수행했고, 김재현 석사과정생도 연구에 참여했다. 경희대 김병곤 교수와 한국전기연구원 하윤철 센터장도 공동 교신저자에 이름을 올렸다. 

문장혁 교수는 “전고체전지 보급을 확대하기 위해서는 고체전해질 자체의 고성능화와 저가격화도 중요하지만, 이온과 전자의 흐름을 원활하게 돕는 전극판을 효과적으로 만드는 구조 설계와 제조 공정 기술이 무엇보다 중요하다”며, “최적의 비율로 고체전해질이 부분 코팅된 양극활물질 복합소재를 통해 전극판의 기능성을 높이고 전고체전지 성능 향상에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.