ETRI, '전고체 이차전지' 핵심소재 개발...과전압 줄이고, 고속 충전 성능 높여

한국전자통신연구원(ETRI)이 차세대 리튬 이차전지로 알려진 전고체 이차전지용 '전도성 바인더' 소재 개발에 성공했다. 전도성 바인더는 접착력이 높은 고분자 소재다. 이를 활용해 에너지 밀도를 극대화할 수 있어 고성능 전고체 이차전지 구현에 기여할 수 있다.

ETRI는 환경친화적인 소재인 셀룰로오스 기반 새로운 전도성 바인더를 개발해 전고체 이차전지 음극에 적용했다고 12일 밝혔다.

이번 성과는 에너지 소재 분야의 세계적인 학술지인'에너지 스토리지 머티리얼즈'최신호 온라인에 게재됐다.

전고체 이차전지는 이온 전달 전해질을 액체에서 고체로 바꿔 안전성과 에너지 저장 밀도를 높인 전지 시스템이다. 배터리 음극은 양극에서 이동한 리튬이온을 저장하는 역할을 한다. 이 중 충전 시 리튬이온을 받아들이는 음극재는 배터리 충전 속도와 수명, 안정성을 결정하는 중요 요소다.

연구진이 개발한 전도성 바인더는 음극재 일종이다. 에너지 저장을 담당하는 활물질에 도포된다. 연구진은 셀룰로오스계 소재를 이용, 고품질 이온 전도성 바인더를 개발했다.

연구진은 개발된 바인더를 흑연 음극 구성에 적용해 새로운 전극 구조를 만들었다. 전해질 성분을 완전히 배제해 더 많은 활물질로 구성했다.

연구진은 다양한 전기화학 평가 및 분석을 통해 기존 비전도성 바인더 대비 충·방전 과전압 약 30% 감소, 고율 충·방전 성능 약 40% 증가 등 흑연 활물질 입자 계면에서 전도성 향상 효과를 확인했다.

액체전해질 함침형 전극과 전해질 배제형 전극 비교 모식도(왼쪽 상단) 및 전해질 배제형 흑연 전극 전자현미경 이미지(우측 상단). 전극내 리튬이온전달 경로(아래)

과전압이 감소하면 배터리 내부 저항이 감소해 안정적 구동 및 배터리 수명 연장을 기대할 수 있다. 또 고속 충전 시 에너지전달 효율을 유지해 충전 성능이 향상되는 효과가 있다.

연구를 주도한 신동옥 ETRI 박사는 “전도성 바인더 소재를 전고체 이차전지에 적용해 입자간 리튬 이온 전달 효율성을 극대화했다”며 “전극 내 전해질 성분을 배제해 기존 전지 제조공정을 충분히 활용할 수 있고 고성능 전고체 이차전지 상용화 가능성을 높였다”고 밝혔다.

연구 총괄책임자인 이영기 ETRI 박사는 “그동안 액체상 전해질로 인해 가려졌던 전도성 바인더 성능을 최대한 활용할 수 있는 전지 시스템을 찾은 결과”라며 “소재·부품·장비 기술 자립화 사업 결과로 차세대 리튬 이차전지용 핵심소재 국산화에 기여할 것“이라고 말했다.

ETRI 연구진은 흑연 전극 적용에 초점을 맞춘 이번 연구 외에 고용량 음극 소재 확대 연구도 진행할 예정이다.

이번 연구는 ETRI 기본사업인 'ICT 소재·부품·장비 자립 및 도전기술개발' 지원으로 수행됐다. ETRI 주관으로 조경재 텍사스대 댈러스캠퍼스 교수팀, 이용민 대구경북과학기술원(DGIST) 교수팀과 공동 연구로 진행됐다. 논문은 신동옥 ETRI 박사, 김형준 서울대 박사과정생 및 정승원 DGIST 박사과정생이 공동 1저자로 참여했다.