리튬 이차전지의 열폭주 위험과 낮은 에너지밀도를 극복할 수 있는 차세대 무음극 전고체 전지가 2032년 상용화 될 전망이다.
한국화학연구원(이하 화학연) 안기석·서동범 박사팀이 충남대 박상백 교수팀과 공동연구로 저비용 이황화몰리브덴(MoS2)을 활용해 무음극 전고체 전지의 수명을 7배 이상 늘리고 방전용량은 향상시키는 기술을 개발했다.
기존 이차전지는 리튬 도금의 균일성을 높이기 위해 은, 인듐 등 고가 귀금속 박막을 사용해 비용 상승과 더불어 복잡한 공정이 단점으로 지적됐다.
특히 리튬이 특정 부위에만 뾰족한 형태로 솟는 덴드라이트 현상이 분리막을 뚫고 양극과 접촉해 발생하는 열폭주 화제가 발생할 수 있어 안정성 확보가 필요한 상황이다.
이에 연구팀은 반도체 공정에 사용되는 금속 유기화학 기상 증착법(MOCVD)으로 스테인리스강 집전체(SUS)에 이황화몰리브덴 나노시트 박막을 정밀한 두께로 코팅, 충·방전 과정에서 경계면 안정화 층이 추가 생성되도록 유도했다.
이황화몰리브덴은 충전 때 리튬과 반응해 몰리브덴 금속과 황화리튬으로 변환되고, 이들이 고체 전해질과 음극 사이에 인공 계면층을 형성해 전지의 수명과 안정성이 향상된다.
실험결과 SUS 전극만 사용한 경우 95시간 만에 쇼트가 발생했지만, 이황화몰리브덴 박막을 적용하면 300시간 이상 안정적으로 작동했다.
아울러 초기 방전 용량도 1.18배 높고, 20회 충·방전 용량 유지율은 8.3%에서 58.9%로 7배 이상 늘며 전지 수명이 연장됨을 확인했다.
이번 연구성과는 전고체 배터리 상용화에 핵심 역할을 할 전망이다.
이황화몰리브덴은 귀금속 대비 가격이 매우 저렴하고 공정도 단순해 고압 가공 없이 리튬도금을 안정화할 수 있고 대면적 적용도 가능하다.
특히 이번 기술은 세계 최초로 2차원 소재인 황화몰리브덴을 희생 박막으로 활용한 무음극 전고체 전지를 구현한 사례로 평가받는다.
무음극 전고체 전지는 음극 없이 양극과 고체 전해질만으로 구성돼 전지의 부피를 줄이고 에너지 밀도를 극대화할 수 있어, 전기자동차, 드론, 우주항공, 에너지저장장치(ESS) 분야에서 고출력·경량화에 큰 장점을 갖는다.
연구팀은 이 기술을 2032년 실용화를 목표로 후속 연구를 진행 중이다.
이영국 화학연 원장은 “이번 연구는 무음극 전고체 전지의 낮은 효율과 짧은 사이클 수명 문제를 해결, 차세대 이차전지 시장에 중요한 기술적 돌파구 제공할 것”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구성과는 지난달 국제학술지 ‘Nano-Micro Letters (IF: 31.6)’에 게재됐다.
(논문명:Tailoring artificial solid electrolyte interphase via MoS2 sacrificial thin-film for Li-free all-solid-state batteries / 제1저자 서동범 화학연 박사후연구원, 김도훈 충남대 석사후연구원)
