터지지 않는 배터리 ‘전고체전지’의 불안정 문제 해결했다

2019.04.29 13:18
이상민 ETRI 차세대전지연구센터장 연구팀이 전고체전지 내 고체전해질과 탄소와의 계면 불안정성 원인을 밝히고, 이를 통해 기존 대비 250% 전도성이 높은 ‘나노탄소 도전재’를 개발했다. ETRI 제공
이상민 ETRI 차세대전지연구센터장 연구팀이 전고체전지 내 고체전해질과 탄소와의 계면 불안정성 원인을 밝히고, 이를 통해 기존 대비 250% 전도성이 높은 ‘나노탄소 도전재’를 개발했다. 전기연 제공

국내 연구팀이 전고체전지의 계면 불안정성 문제를 해결했다. 전고체전지는 폭발이나 화재 위험이 없어 전기차에 쓰일 차세대 안전 배터리로 주목받고 있다.


한국전기연구원(KERI)은 이상민 차세대전지연구센터장 연구팀이 전고체전지 내 고체전해질과 탄소와의 계면 불안정성 원인을 밝히고, 이를 통해 기존 대비 250% 전도성이 높은 ‘나노탄소 도전재’를 개발했다고 29일 밝혔다.


전고체전지는 불에 잘 붙는 액체전해질 대신 전극과 전해질을 모두 고체로 만들었다. 전해액 누출에 따른 화재나 폭발 위험성이 없다. 하지만 전고체전지는 전극과 전해질이 고체로 이뤄진 탓에 성능을 높이기 위해서는 계면 안정성이 매우 중요하다. 계면 안정성은 전해질이 다른 물질로 변해 전지의 성능이 퇴화되는 정도를 뜻하며 안정성이 높을수록 전지의 성능이 높아진다. 


연구팀은 전지 속 전자의 흐름을 돕는 소재인 탄소 도전재를 계면 불안정성 원인으로 꼽았다. 비정질의 탄소 표면에 존재하는 수많은 원자가 고체 전해질과의 부반응에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 탄소 표면에 존재하는 원자가 계면 안정성을 낮추고 있던 셈이다. 


연구팀은 2400도의 고온 열처리 공정을 통해 표면에 존재하는 원자를 없앴다. 이를 통해 기존 대비 250%가량 향상된 전기 전도성을 가진 나노탄소 도전재를 개발했다. 연구팀은 “흑연처럼 결정성 높은 나노탄소를 도전재로 사용하게 되면 계면에서의 전기화학적 부반응이 줄어들고 부반응으로 형성되는 절연성 물질의 형성을 줄일 수 있다”고 설명했다. 


교신저자로 연구에 참여한 김병곤 연구원은 “본 연구결과는 고체전해질과 탄소 계면의 부반응 원인을 규명하고 이를 기반으로 해결책 및 도전재의 새로운 개발 방향을 제시했다”며 “지금 단계에서는 비록 고온 열처리 장비의 가격문제가 있지만, 대용량화가 이루어지면 전고체전지용 도전재를 손쉽고 값싸게 대량으로 생산할 수 있을 것”이라고 말했다.


이번 연구결과는 국제학술지 ‘스몰’ 4월호 온라인판에 발표됐다.

 

비정질탄소(왼쪽) 대비 결정성 및 전도성 높은 나노탄소(오른쪽)을 나타냈다. 전기연 제공
비정질탄소(왼쪽) 대비 결정성 및 전도성 높은 나노탄소(오른쪽)을 나타냈다. 전기연 제공

 

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