“구겨도, 잘라도 작동하는 전고체 이차전지 개발”

▲(위)자유롭게 구부리거나, 잘라 내거나, 전지의 내부를 공기 중에 노출시켜도 안정적으로 작동하는 전고체 이차전지. (아래)굽힘 테스트(직경 10mm) 1000회 진행 후에도 높은 용량을 유지하고 있다. (사진제공=한국기초과학지원연구원)

국내 연구팀이 차세대 배터리로 주목받는 ‘전고체 이차전지’의 용량과 안전성을 높이는 동시에 자유변형이 가능한 기술을 개발했다. 전고체 이차전지의 상용화에 한 걸음 더 다가설 전망이다.

한국기초과학지원연구원(KBSI)은 소재분석연구부 김해진 박사 연구팀이 한국화학연구원, 성균관대학교, 전남대학교, 인하대학교 연구팀과의 공동연구를 통해 안전하고 자유 변형이 가능한 전고체 이차전지를 개발했다고 13일 밝혔다.

연구팀이 개발한 전고체 이차전지는 고체 전해질을 사용했기 때문에 기존의 액체 전해질 이차전지에서 발생하는 폭발 가능성 자체가 원천 차단해 안전하다. 특히, 전지를 절단하거나 전지의 외부 파우치를 열어 내부를 공기 중에 노출해도 안정적으로 작동함을 실험을 통해 확인했다.

1mm 이하 두께로 얇게 제작된 전지는 구기거나 자르는 등 극한의 변형에도 정상적으로 작동했다. 자유변형이 가능한 특성 때문에 웨어러블 전자기기 디자인의 자유도를 높여줄 기술로 평가된다. 성능 확인을 위해 제작된 100mAh(밀리암페어) 용량의 전고체 이차전지는 500회 충ㆍ방전 및 굽힘 테스트 1000회 진행 후에도 90%의 용량을 유지했다.

연구팀은 이번 전고체 이차전지 개발을 위해 양극 및 음극 소재, 집전체, 고체 고분자 전해질 소재의 신규 개발과 기존 소재의 성능 개선을 동시에 수행해 소재 기술을 확보했다. 특히 리튬이온을 전극 내부까지 원활히 이동시킬 수 있는 복합 전극 기술과 계면 저항을 최소화할 수 있는 셀 조립기술을 개발했다.

또 이를 넓은 면적에 적용하기 위한 파우치 형태의 풀셀 전고체 이차전지 제조기술 및 다수의 단일 셀들을 하나의 셀스택 안에서 직렬 혹은 병렬로 연결하는 적층기술을 확보했다. 넓은 면적의 단일 셀들을 쌓았음에도 전지의 자유 변형이 가능하다는 특징이 기존의 전고체 이차전지 기술에서 진일보한 결과이며, 대면적 적층기술은 대용량 및 고전압 구현을 통한 고성능 전고체 이차전지 개발에 필수적이다.

개발된 전고체 이차전지는 기존의 이차전지 제작 공정을 그대로 활용해 제작할 수 있다는 장점도 가지고 있다. 이에 따라 실수요기업과의 협업을 통한 전고체 이차전지의 상용화가 한층 더 수월하게 진행될 것으로 기대된다.

공동연구에서 KBSI는 연구과제를 총괄하며 양극 소재 개발 및 전고체 이차전지 조립을, 한국화학연구원(김동욱 박사 연구팀)과 인하대학교(육지호 교수 연구팀)는 고체 고분자 전해질 소재를 개발했다. 성균관대학교(박호석, 손성욱 교수 연구팀)와 전남대학교(전영시 교수 연구팀)는 음극 소재 개발, 유연 집전체 개발 등을 담당했다.