POSTECH·포스코홀딩스, 새로운 리튬 전착으로 전고체 전지 성능과 내구성 향상

하면 전착 메커니즘을 통한 리튬 금속 음극 기반 전고체 전지 안정화 모식도. (자료제공: POSTECH·포스코홀딩스]

POSTECH 화학과 박수진 교수, 첨단재료과학부 통합과정 이상엽 씨, 화학과 조성진 박사 · 석사과정 최현빈 씨, 포스코홀딩스 미래기술연구원 김진홍 박사, 배홍열 박사 공동 연구팀은 하면 전착(bottom electrodeposition, 전해질에 전류를 통과시켜 전해질에 잠긴 전극에 금속을 증착하는 공정)이라는 새로운 전략으로 전고체 전지(All-Solid-State battery)의 성능과 내구성을 높이는 데 성공했다고 지난달 11일 밝혔다.

전기 자동차와 에너지 저장 시설 등 다양한 분야에서 활용되고 있는 이차전지는 일반적으로 액체 전해질을 기반으로 한다. 그런데 가연성인 액체 전해질은 화재 발생의 위험이 있어 액체가 아닌 고체 전해질과 리튬(Li) 금속을 사용해 상대적으로 안전한 전고체 전지 연구가 활발하게 진행되고 있다.

전고체 전지는 음극에 도금된 리튬과 전자의 이동을 활용하여 전기를 생산한다. 전지가 충·방전될 때 리튬 금속은 전자를 잃고 이온이 되었다가 다시 전자를 얻어 금속 형태로 전착되는데, 이 과정에서 리튬이 무분별하게 전착되는 경우, 사용할 수 있는 리튬이 빨리 고갈되어 전지의 성능과 내구성이 현저하게 떨어졌다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 포스코홀딩스 미래기술연구원과의 공동 연구를 바탕으로 기능성 바인더(PVA-g-PAA) 기반 전고체 전지용 음극 보호층을 만들었다. 이 층은 리튬을 전달하는 특성이 우수해 무분별한 전착을 막고, 음극 표면 하단부터 리튬이 균일하게 전착되는 ‘하면 전착’을 유도했다.

연구팀은 주사전자현미경(SEM)을 사용한 분석에서도 리튬 이온이 안정적으로 전착·탈리됨을 확인했다. 그 결과, 불필요하게 소모되는 리튬이 현저하게 줄어들었으며, 연구팀의 전고체 전지는 10마이크로미터(μm) 이하의 얇은 리튬 금속만으로도 오랜 시간 동안 안정적인 전기화학적 성능을 보였다.

이번 연구를 이끈 박수진 교수는 “하면 전착이라는 새로운 전략을 바탕으로 장기간 활용할 수 있는 전고체 전지 시스템을 개발했다. 후속 연구를 통해 전지 수명을 더욱 효과적으로 늘리고, 에너지 밀도를 높일 수 있는 새로운 방향성을 제시하겠다”고 말했다. 포스코홀딩스는 이번 공동연구성과 등을 기반으로 차세대 이차전지의 핵심소재인 리튬 금속 음극의 상용화를 추진할 계획이다.

이번 연구는 포스코홀딩스, 산업통상자원부와 한국산업기술평가관리원의 지원으로 진행됐다. 연구결과는 국제 학술지인 ‘스몰(Small)’에 게재됐다.