▲ ETRI 연구진이 ETRI, DGIST가 공동개발한 전고체 이차전지 양극 소재를 관찰하고 있다.

한국전자통신연구원(ETRI)이 고체전해질 없이 활물질인 이황화티타늄(TiS2)과 바인더로만 양극을 구성하는 새로운 전극구조를 개발했다고 13일 밝혔다.

이에 따라 이황화티타늄에 압력을 가해 입자간 빈틈을 없앤 활물질과 바인더로만 양극을 구성하는 전지구조를 제안, 양극구조만으로도 전고체 배터리의 성능을 구현할 수 있음이 증명됐다.

연구진은 대구경북과학기술원(DGIST) 공동연구팀의 도움을 받아 리튬이온이 직접 이황화티타늄 입자들을 통해 원활하게 확산하는 것을 확인했다.

고체 전해질을 사용하지 않은 만큼 활물질 함량을 늘려 같은 용량에 고체전해질 사용 경우보다 에너지밀도가 1.3배 높일 수 있다.

또 용매와 바인더 선택이 자유롭고 기존 리튬이온전지의 극판 제조공정을 그대로 활용할 수 있어 전고체배터리 성능 및 가격경쟁력 향상에 크게 기여할 수 있다.

연구진은 해당 활물질을 나노화하면 전기화학적 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 이론적으로 예측하고 이를 실험으로 검증해 본 성과를 냈다. 기존에 흑연을 기반으로 한 음극구조를 개발한 경험과 노하우도 한몫을 했다.

전고체배터리는 이온을 전달하는 전해질로 액체전해질 대신 고체를 적용한 차세대 배터리다. 고체 전해질은 가연성이 있는 액체 전해질보다 화재의 위험이 적어 안전하다.

또 리튬이온배터리에서 구현이 불가한 바이폴라형 배터리(배터리안 전극이 직렬 연결된 단순구조 고전압 배터리)를 만들 수 있어 에너지 밀도 향상에 유리하다.

전고체배터리의 양극은 전자전도 도전재, 이온전도 고체전해질, 에너지저장 활물질, 그리고 이들을 물리화학적으로 잡아주는 바인더로 구성된다.

전극 안에서 리튬이온이 원활히 이동하기위해 고체 전해질이 꼭 필요하지만, 고체 전해질 구성비가 늘어나면 상대적으로 활물질이 적게 들어가 에너지밀도를 늘리는데 한계가 있었다.

또 황화물계 고체 전해질이 포함된 복합 전극의 경우, 높은 화학적 반응성으로 인해 용매 및 바인더 선택이 까다롭고, 수분을 극도로 제어해야하기에 제조공정에 어려움이 있었다.

ETRI 이영기 지능현센서연구실 책임연구원은 “음극과 양극 모두 활물질만으로 이온을 확산할 수 있다는 것을 최초로 확인했다”며 “에너지밀도를 더욱 향상할 핵심기술을 확보, 상용화에 이바지하겠다”고 말했다.

연구진은 또 활물질 형태에 따른 입자간 이온 확산 거동을 분석해 공 모양 이황화티타늄(TiS2) 나노입자를 활용한 것이 효율적인 리튬이온 저장에 주효했다고 밝히며 이러한 이해를 바탕으로 고성능 전고체 이차전지를 구현하는데 기여할 것으로 예상된다고 밝혔다.

한편, 본 연구는 ETRI가 주관하며 DGIST 이용민 교수팀과 공동연구가 이뤄졌다. 본 성과는 지난달 세계적인 학술지인 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈’에 온라인으로 등재되며 우수성을 입증 받았다.