세라믹기술원, 전고체 배터리 전극 기술로 전기차 주행거리 확장에 앞장선다

- 전고체 배터리 활물질 85 wt% 함량기준, 1,200 Wh L⁻ 이상의 고에너지 밀도 구현 

(좌) 전고체 배터리 에너지밀도 향상을 위한 전극 제조 모식도. (우) Glitter cake 구조의 고체전해질-양극 복합체. (자료제공: KICET)

한국세라믹기술원(KICET, 원장 정연길)은 차세대 전고체 배터리의 에너지 밀도를 극대화할 수 있는 혁신적인 전극 제조 기술을 개발했다고 2월 14일 밝혔다. 

이번 연구는 KICET 에너지저장소재센터 정대수 박사를 중심으로 고려대학교 강윤찬 교수 연구팀, 아주대학교 박진성 교수 연구팀, 그리고 미국 매사추세츠공과대학교(MIT) 주리(Ju Li) 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 이뤄낸 성과다.

현재 리튬이온 배터리가 이차전지 시장을 주도하고 있으나, 액체 전해질 기반 시스템은 에너지 밀도 및 안전성 측면에서 본질적인 한계를 지닌다. 이에 대한 대안으로 전고체 배터리가 주목받고 있지만, 여전히 기존 전극 구조에서는 활물질(Active Material, AM)과 고체 전해질(Solid Electrolyte, SE)간 높은 접촉 저항 및 불균일한 분포로 인해 높은 에너지 밀도 구현이 어려운 문제가 존재한다.

이러한 문제를 해결하기 위해 정대수 박사 연구팀은 ‘글리터 케이크(Glitter-cake)’ 형태의 코어-쉘(Core-Shell) 구조를 적용한 혁신적인 전극 설계 기술을 개발하여 전고체 배터리의 에너지 밀도를 획기적으로 향상시키는데 성공했다. 코어-쉘 구조는 활물질(코어)을 고체 전해질(쉘)이 균일하게 감싸는 형태로 설계된 구조로, 전기화학적 성능 향상 및 안정성 증대를 목표로 한다.

해당 구조는 얇은 고체 전해질 층을 통해 리튬 이온 및 전자의 이동을 최적화하며, 높은 활물질 함량(85 wt%)에서도 1,258 Wh L⁻¹에 달하는 우수한 에너지 밀도를 구현했다.

특히, 이번 연구에서는 건식 코팅(Dry Coating) 공정을 활용하여 양극 활물질의 1차 입자 사이에 고체 전해질을 균일하게 코팅한 ‘Glitter-cake’ 구조의 복합소재를 제조했다. 이를 통해 활물질 표면을 균일하게 덮는 얇은 고체 전해질 쉘을 형성하여 리튬 이온 전도성을 극대화하는 동시에 전자 전도성을 유지하는 데 성공했다.

또한, 입도가 정밀하게 제어된 고체 전해질 입자를 적용하여 전극 내부 및 전극-전해질 계면에서의 공극(Porosity)을 최소화함으로써 전극 내 활물질 간 공극을 효과적으로 제거했다. 

제1 저자인 김민지 연구원은 “Glitter-cake 구조 기반의 복합소재를 활용한 전극 제조 기술은 향후 전고체 배터리의 실용성을 극대화하는데 기여할 뿐만 아니라, 차세대 에너지 저장 기술로의 전환을 견인할 핵심기술이 될 것”이라고 말했다.

정대수 박사는 “이번 연구를 통해 차세대 전고체 배터리의 고에너지 밀도화를 위한 전극 제조 기술 및 방향성을 제시하였으며, 향후 전기차 주행거리를 확장하는데 기여할 것으로 예상한다”고 연구의의를 강조했다.

이번 연구는 산업통상자원부가 주관하고 한국산업기술기획평가원(KEIT)이 지원하는 소재부품기술개발사업으로 수행했다. 연구 결과는 나노과학·나노기술·소재과학·에너지 저장 및 변환 분야의 권위 있는 국제 학술지 ‘Nano-Micro Letters’에 2025년 1월에 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]