[과학을읽다]"고압 없이도 된다"…전고체전지 '계면 불안정' 풀었다

KERI, 나노 주석 중간층 기술 개발…저압에서도 고성능 구현

전고체전지 상용화를 가로막던 핵심 난제인 '음극 계면 불안정' 문제가 국내 연구진에 의해 해결됐다. 고압 장치 없이도 안정적인 성능을 구현할 수 있는 기술로, 전기차용 차세대 배터리 상용화에 한 걸음 다가섰다는 평가다.

한국전기연구원(KERI)은 남기훈 전지소재·공정연구센터 박사 연구팀이 리튬 금속 음극과 고체전해질 사이에서 발생하는 계면 불안정 문제를 '나노 주석(Sn) 중간층 제어 기술'로 해결했다고 27일 밝혔다. 이번 연구 성과는 에너지·재료 분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials) 표지 논문으로 선정됐다.

KERI 나노 주석 중간층 제어 기술 연구결과가 Advanced Energy Materials 표지 논문으로 선정됐다. KERI 제공

전고체전지는 액체 전해질 대신 고체를 사용하는 차세대 배터리로, 화재 위험이 낮고 에너지 밀도가 높아 '꿈의 전지'로 불린다. 하지만 고성능 구현을 위해 리튬 금속을 음극으로 사용할 경우 고체전해질과의 접촉이 완벽하지 않아 이온 이동이 방해되는 '계면 저항' 문제가 발생한다. 여기에 충·방전 과정에서 리튬이 나뭇가지 형태로 성장하는 '덴드라이트'가 형성돼 수명을 단축시키는 한계도 있었다.

고압·코팅 의존 한계…상용화 걸림돌

기존에는 이를 해결하기 위해 수십 메가파스칼(㎫)에 달하는 고압을 가하거나 복잡한 코팅 기술이 필요했다. 그러나 실제 전기차에 적용할 경우 장치 무게와 비용이 증가하는 문제가 있었다.

KERI는 나노 주석 중간층 도입을 통해 전고체전지 충방전 시 발생하는 리튬 수지상 성장을 억제했다. KERI 제공

연구팀은 리튬을 잘 흡수하는 나노 주석 분말을 활용해 얇은 중간층을 형성하고, 이를 '전사(Transfer Printing)' 공정으로 리튬 금속 표면에 정밀하게 부착했다. 이 중간층은 계면 저항을 낮추고 이온 이동 경로를 확보해 전지 성능을 크게 개선하는 역할을 한다.

저압에서도 500회 안정 구동…에너지밀도 351Wh/㎏

실험 결과, 대면적 파우치 셀 기준 2㎫의 낮은 압력에서도 500회 충·방전 후 81% 이상의 용량 유지율을 기록했다. 에너지 밀도는 351Wh/㎏으로, 기존 리튬이온전지(150~250Wh/㎏)를 크게 웃도는 성능을 달성했다.

연구팀은 또 제1원리 계산 기반 시뮬레이션을 통해 주석 합금이 리튬 이동을 제어하는 원리를 원자 수준에서 규명했다. 실험과 이론을 결합해 계면 안정화 메커니즘을 입증한 것이다.

연구진 사진. 왼쪽부터 연구 개발자인 남기훈 선임, 하윤철 책임, 김영오 선임, 임소정 학생연구원. KERI 제공

남기훈 KERI 박사는 "대면적 확장성과 계면 안정성을 동시에 확보해 전고체전지 상용화를 위한 실질적인 해법을 제시했다"며 "전기차와 휴머노이드, 에너지저장장치(ESS) 등 다양한 분야에 적용할 수 있도록 기술을 고도화하겠다"고 말했다.

공동 교신저자인 하윤철 KERI 박사도 "전고체전지는 글로벌 배터리 경쟁의 핵심 분야"라며 "이번 성과는 국내 기술 자립과 경쟁력 확보에 기여할 것"이라고 강조했다.

이번 연구에는 김가람(UST), 임소정(KERI-창원대 학연과정) 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 관련 기술은 국내 특허 출원이 완료됐다. 연구는 과학기술정보통신부 글로벌탑전략연구단(GT-3) 과제 등의 지원을 받아 수행됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr