양극 활물질 함량 극대화 시 전극 성능 저하 원인 규명
[기계신문] 한국전자기술연구원(KETI)이 전고체전지의 양극 내 활물질 함량 증가 시 발생하는 전극 특성 저하 원인을 규명하고, 이를 해결하는 도전재 제어 기술을 개발했다. 참고로 도전재란 양극과 음극 활물질 사이에서 전자의 이동을 촉진시키는 데 도움을 주는 물질이다.
전고체전지는 기존 리튬이온전지의 양극과 음극 사이를 채우고 있는 액체전해질을 고체로 바꾼 전지로서, 폭발 위험이 없어 안전성을 보장하면서도 기존 전지보다 에너지 밀도가 높아 차세대 이차전지의 후보로 인정받고 있다.
또한 전고체전지의 고체전해질은 전극 내 양극활물질, 도전재, 바인더 등의 소재와 혼합하여 구성되어 있기 때문에, 활물질의 함량을 최대화(고체전해질 함량 최소화)하면 전지 에너지밀도를 높인다는 장점이 있다.
KETI 차세대전지연구센터는 전극 내 양극 활물질 함량을 세계 최고 수준인 90%로 높였을 경우 발생하는 전지 출력 및 수명 특성 저하의 원인을 정밀 분석했다.
조우석 박사 연구팀에 따르면 전극 내 활물질의 함량이 증가할 경우 고체전해질의 상대적인 부피 비율은 감소하게 되며, 이 경우 고체전해질 영역 내에 분포되어 있는 구형(Spherical) 탄소 도전재 입자가 이온 전달을 방해함과 동시에 전해질과 탄소의 접촉 면적을 넓혀 산화 반응을 일으켰다.
특히 연구팀은 고체전해질의 산화 현상이 전극 저항을 증가시켰으며, 궁극적으로 전지의 열화(Deterioration, 전지의 물리적 성능이 저하됨)를 유발한다는 메커니즘을 확인하였다.
KETI 연구진은 이 같은 전지 성능 저하를 해결하기 위해 구형이 아닌 선형(Linear)으로 형상이 제어된 탄소 도전재를 적용함으로써 활물질 함량비가 매우 높은 경우에도 전해질과 탄소의 접촉면적을 최소화하고, 이온 전도 시의 유효 경로를 확보하는 데 성공했다.
기술개발을 주도한 조우석 박사(수석연구원)와 김현승 박사(선임연구원)는 “이번 연구 성과를 통해 고에너지 밀도의 양극을 위한 활물질 구성의 극대화가 가능하다는 사실을 확인할 수 있었다”면서 “전극 내 핵심 소재들이 최적의 조합을 이루는 것이 얼마나 중요한지 확인하는 계기가 되길 바라며, 연구진은 향후 국내 전고체전지 상용화에 지속 기여할 것”이라고 밝혔다.
이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 최신호에 게재되는 성과를 달성했다.
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