도전재 새로운 개발방향 제시

폭발 위험이 없는 안전한 배터리인 '전고체전지'의 계면저항 문제 해결을 위해 전세계 전문가가 나서는 가운데, 국내 연구진이 전극을 구성하는 '탄소'에서 그 원인을 찾아 주목을 받고 있다.

창원 소재 한국전기연구원(KERI) 차세대전지연구센터가 전고체전지 내 고체전해질과 탄소의 계면 불안정성 원인을 밝히고, 이를 극복하는 '나노탄소 도전재'를 개발했다. 친환경 전기차의 차세대 에너지 심장으로 불리는 전고체전지 상용화를 위한 새로운 개념의 도전재로, 국내외 이차전지 제조업체들의 많은 관심을 받을 것으로 보고 있다.

전고체전지란 불에 잘 붙는 액체전해질 대신 전극과 전해질을 모두 고체로 만들어 전해액 누출에 따른 화재와 폭발 위험성을 제거한 차세대 전지다. 전고체전지는 전지를 구성하는 고체화된 입자 때문에, 입자 간 계면 안정성이 매우 중요하다. 이러한 이유로 전고체전지 실용화의 가장 큰 난제인 계면 안정성 연구가 다방면으로 진행되고 있다. 이에 한국전기연구원은 비정질의 탄소 표면에 존재하는 다수 작용기가 황화물 고체전해질과 부반응에 직접적인 영향을 미친다는 사실을 최초로 규명했다.

▲ '전고체전지' 불안정성의 원인을 규명해 주목받고 있는 한국전기연구원 차세대전지연구센터 김병곤 박사팀. /한국전기연구원

즉 작용기와 부반응 간 연결고리를 밝혀내고, 이를 기반으로 고체전해질과 탄소 간 계면 안정성을 높일 방법을 찾아낸 것이다.

연구원은 "작용기가 없으면 탄소도전재의 기능을 획기적으로 높일 수 있다는 분석을 기반으로, 열 공정을 통해 새로운 형태의 도전재인 '중공(hollow) 나노탄소' 개발에도 성공했다"고 설명했다.

주요 연구자인 KERI 김병곤 박사는 "본 연구결과는 고체전해질과 탄소 계면의 부반응 원인을 규명하고, 이를 기반으로 해결책 및 도전재의 새로운 개발 방향을 제시했다는 데 의의가 크다"면서 "지금 단계에서는 비록 고온 열처리 장비의 가격문제가 있지만, 대용량화가 이뤄지면 전고체전지용 도전재를 값싸게 대량으로 생산할 수 있을 것"이라고 전했다.

해당 연구결과는 미국 와일리(Wiley) 출판사의 재료분야 세계적 학술지 <스몰>(Small, IF=9.598)에 게재됐으며, 와일리가 선정한 'Surfaces and Interfaces' 분야 핫 토픽으로도 선정됐다. 연구팀은 성과에 대한 원천특허 출원을 완료한 상태다. 

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