부경대학교 인쇄정보공학과 오필건 교수(사진=부경대학교 홍보팀 제공)

전기차 등에 사용되는 대용량 이차전지의 안전성 문제가 대두되는 가운데 폭발 위험이 없는 차세대 전고체 전지를 상용화하기 위한 전지 고에너지화 연구결과가 나와 주목받고 있다.

부경대학교 오필건 교수(인쇄정보공학과)는 최근 황화물계 전고체 전지의 상용화를 위한 연구를 진행, 기존 전지의 효율을 20 % 개선하면서 전극 내 전해질 비율을 감소시켜 전지의 에너지 밀도를 크게 향상시키는 연구결과를 제시했다.

전고체 전지란 가연성의 액체전해질을 사용하는 리튬이온전지와 달리 불연성의 고체전해질을 사용하는 전지다. 폭발이나 화재의 위험이 없어 산화물계열, 고분자계열, 황화물계열로 상용화 연구가 진행되고 있지만 에너지 밀도가 낮고 상온에서 출력특성이 저하되는 등의 문제로 상용화에 어려움을 겪고 있었다.

오 교수는 이번 연구에서 현재 전고체 전지 연구의 문제점을 전극 내 높은 전해질 비율이라고 지적하고, 일차입자 형태의 NCM(니켈코발트망간산화물) 양극 소재를 활용한 새로운 고밀도‧고출력의 전극 설계를 제시해 전고체 전지의 상용화를 크게 앞당겼다는 평가를 받고 있다.

오 교수는 “지금까지 전고체 전지 연구는 활물질-고체 전해질 간 높은 계면저항을 개선하기 위해 10 % 이상의 높은 전해질 비율로 전극 설계를 하면서 전극의 에너지 밀도는 낮아지고, 전해질의 높은 부피비로 인해 전극 내 전자이동 경로가 차단돼 전자저항이 크게 증가한다.”고 밝혔다.

그는 “황화물계 전고체 전지는 다른 전고체 전지에 비해 높은 출력특성을 보이지만, 현재의 연구는 기존 개발된 소재를 이용해 전극 성능을 최적화하는 상향식(Bottom-up) 방식에 그치면서 출력성능과 에너지 밀도가 매우 부족하다.”면서 “상용화 리튬이차전지보다 우수한 전지 특성을 확보하려면 전고체 전지의 이상적인 전극 설계를 확보한 후, 그 설계를 가능하게 하는 최적 소재를 개발하는 하향식(Top-down) 방식의 새로운 연구 패러다임이 반드시 필요하다.”고 주장했다.

이 연구결과를 담은 논문 ‘Advances and Prospects of Sulfide All‐solid‐state Lithium Batteries via One‐to‐one Comparison with Conventional Liquid Lithium Ion Batteries’는 에너지, 재료 분야의 국제저널 ‘Advanced Materials’(IF 21.95)에 최근 게재됐다.

한편 오 교수는 새로운 전고체 전지 전극 설계기술뿐만 아니라, 전고체 전지만의 열화 메커니즘 연구 및 개선 연구를 진행하고 있으며, 이를 평가하기 위한 황화물계 전고체 전지 전용 랩을 구축 중이다.