경상국립대학교(GNU) 연구팀이 전고체전지의 성능을 한 단계 끌어올릴 핵심 기술을 개발했다.

성재경 경상국립대 나노신소재공학부 교수 연구팀은 황화물계 전고체 리튬금속전지에 적용하는 실리콘-탄소 기반 삼중 적층형 중간층을 개발했다고 밝혔다. 이번 기술로 안정성과 에너지 밀도, 출력 밀도, 수명 특성을 동시에 향상시켰다.

전고체전지는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용해 화재 위험이 낮고 에너지 밀도가 높아 차세대 배터리로 주목받고 있다. 전기 자동차와 에너지 저장 장치(ESS), 드론 등 고에너지 밀도가 필요한 분야에서 수요가 급증하면서 상용 리튬이온배터리의 화재 사고 문제를 해결할 대안으로 떠올랐다.

연구팀이 개발한 중간층은 3개 층으로 구성된다. 고체전해질과 맞닿은 상부는 탄소가 없는 치밀한 리튬-실리콘 합금상층으로 전자 누설을 막아 분해 반응과 발열을 억제한다.

중앙부는 다공성 리튬-실리콘-CNT 혼합 전도층으로 균일한 핵생성 자리와 전도 경로를 만든다. 집전체와 가까운 하부는 CNT가 많은 고전자 전도층으로 전류를 아래로 유도해 균일한 리튬 도금을 돕는다.

이 구조는 층별로 기공도와 이온·전자 전도성을 다르게 배치해 리튬의 이동과 핵생성을 제어하는 게 핵심이다. 리튬 수지상 성장과 공극 형성을 근본적으로 막아 장시간 작동 시에도 계면 저항 증가를 완만하게 만든다.

두께는 5 μm 미만으로 얇아 부피와 무게당 에너지 밀도 손실을 최소화했다. 저렴한 소재를 극소량 사용해 황화물계 전고체 리튬금속전지의 가격도 낮출 수 있다.

이 중간층을 적용한 풀셀은 0.5C 충·방전 조건에서 1800회 이상 안정적으로 작동했고, 평균 쿨롬 효율은 99.9% 이상을 기록했다. 고속 충전 성능도 우수해 2C에서 85.2%, 5C에서 76.3%, 10C에서 65.2%의 용량을 유지했다.

제1저자인 고민석 대학원생은 "화재 안정성과 에너지 및 출력밀도, 수명특성을 하나의 중간층 전략으로 동시에 달성했다"며 "얇은 코팅 구조로 전기자동차와 고주기 ESS 등 대량 제조로 확장 가능성이 높다"고 설명했다.

이 연구는 국제 학술지 '어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)'에 '장주기 전고체 리튬 금속 배터리를 위한 중간층의 전도도 및 다공성 조절'이라는 제목으로 10월 29일 사전 게재됐다.