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우리가 쓰는 스마트폰이나 전기차 배터리는 대부분 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지이다.
그런데 이 액체는 열에 약해서 종종 화재 사고의 원인이 되기도 한다. 그래서 과학자들은 액체를 고체로 바꾼 ‘전고체전지’를 개발하고 있다. 불도 안 나고 에너지 밀도도 높아서 ‘꿈의 배터리’라고 불린다.
하지만 상용화까지는 큰 벽이 하나 있었는데, 이번에 한국전기연구원(KERI)이 그 벽을 허물 수 있는 획기적인 기술을 개발하는 데 성공해 학계에 관심이 모아지고 있다.
27일 KERI에 따르면 전고체전지의 성능을 극대화하려면 음극 소재로 ‘리튬 금속’을 써야 한다.
기존 흑연 음극보다 용량이 10배나 커서 배터리를 작게 만들면서도 힘은 세게 만들 수 있기 때문이다.
문제는 이 리튬 금속과 고체 전해질이 서로 잘 붙지 않는다는 점이다. 고체와 고체가 만나는 지점(계면)에서 접촉이 완벽하지 않으니 이온이 제대로 이동하지 못하고 저항이 생긴다.
게다가 충·방전을 반복하면 리튬이 나뭇가지 모양(수지상)으로 자라나 배터리 수명을 갉아먹는 고질적인 문제도 있다.
남기훈 박사팀이 내놓은 해결책은 의외로 간단하면서도 명쾌하다.
바로 리튬을 잘 끌어당기는 ‘나노 주석 분말’을 활용해 아주 얇은 중간층을 만든 것이다.
연구팀은 이 중간층을 마치 ‘판박이 스티커’처럼 찍어내는 ‘전사(Transfer Printing) 공정’을 개발했다.
별도의 기판 위에 주석 층을 만든 뒤 리튬 금속 표면에 찰떡처럼 옮겨 붙이는 방식이다.
이렇게 만들어진 주석 층은 리튬 이온이 빠르게 달릴 수 있는 ‘고속도로’ 역할을 하면서 계면 저항을 획기적으로 낮춰준다.
그동안 전고체전지를 돌리려면 고체끼리 억지로 붙여놓기 위해 엄청나게 무거운 가압 장치가 필요했다.
전기차에 배터리를 실으려는데 배터리보다 그걸 누르는 장치가 더 무거운, ‘배보다 배꼽이 더 큰’ 상황이었던 것이다.
하지만 KERI의 신기술을 적용하면 기존 압력의 10분의 1 수준인 낮은 압력(2MPa)에서도 배터리가 아주 잘 돌아간다.
실제로 대면적 파우치 셀에 적용해 시험해 본 결과, 500번 넘게 충·방전을 해도 용량의 81% 이상을 유지할 만큼 안정적인 것으로 조사됐다.
에너지 밀도 또한 현재 쓰이는 배터리 수준을 훌쩍 뛰어넘는 351Wh/kg을 기록했다.
이 기술이 상용화되면 우리 일상에는 어떤 변화가 생길까?
우선 가장 큰 변화는 전기차이다. 한 번 충전으로 서울에서 부산을 왕복하고도 남을 만큼 주행거리가 길어지고, 충전 속도는 훨씬 빨라질 수 있다.
무엇보다 ‘불나지 않는 배터리’라는 신뢰를 통해 지하 주차장 화재 걱정에서도 해방될 수 있다.
나아가 이 고성능 배터리는 전기차를 넘어 하늘을 나는 택시나 휴머노이드 로봇, 에너지저장장치(ESS) 등 미래 산업 전반의 핵심 동력이 될 전망이다.
남기훈 박사는 “실제 제조 공정에 적용할 수 있도록 기술을 더욱 고도화하겠다”고 말했다.
하윤철 KERI 박사는 “이번 연구는 국내 기술 자립과 초격차 확보를 위한 우수 성과로, 향후 국가 전략기술 경쟁력 강화에 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.
이번 연구 결과는 그 우수성을 인정받아 에너지‧재료 분야 세계 상위 2.7%에 해당하는 최고 권위 국제 학술지 ‘Advanced Energy Materials’의 표지 논문으로 선정됐다.
