▲ (左)전고체 배터리 에너지밀도 향상을 위한 전극 제조 모식도, (右)Glitter cake 구조의 고체전해질-양극 복합체(출처: 한국세라믹기술원)

한국세라믹기술원(원장 정연길)이 차세대 전고체 배터리의 구조의 에너지 밀도를 향상시켜 전기차 주행거리를 향상시키는데 기여할 전망이다.

한국세라믹기술원은 차세대 전고체 배터리의 에너지 밀도를 극대화할 수 있는 혁신적인 전극 제조 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

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 도출된 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 개발해 전고체 배터리의 에너지 밀도를 획기적으로 향상시키는데 성공했다.

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, 본 연구에서는 건식 코팅(Dry Coating) 공정을 활용해 양극 활물질의 1차 입자 사이에 고체 전해질을 균일하게 코팅한 ‘Glitter-cake’ 구조의 복합 소재를 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.

정대수 박사는 “이번 연구를 통해 차세대 전고체 배터리의 고에너지 밀도화를 위한 전극 제조 기술 및 방향성을 제시했으며, 향후 전기차 주행거리를 확장하는데 기여할 수 있을 것으로 예상된다”고 말했다.

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 밝혔다.