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KETI 뉴스

KETI, 전고체전지 보호층 기술로 전기차 화재 위험 낮춘다
“배터리 에너지밀도 증가 및 안전성까지 확보”
- 에너지화학 분야 국제학술지 논문 게재 성과,
실리콘 분말 기반 신규 보호층 생성하여 리튬이온 침전 방지 -

한국전자기술연구원(이하 KETI, 원장 신희동)은 고려대 유동주 교수팀, 성균관대 윤원섭 교수팀과 함께 전고체전지의 에너지 밀도 및 안정성을 증가시키는 리튬금속 보호층 기술 개발에 성공했다고 5일 밝혔다.

전고체전지는 기존의 리튬이차전지와 달리 고체 형태의 전해질*로 구성되기 때문에 폭발 위험이 없어 안전하면서도 에너지밀도가 높다는 장점이 있어 현재 기술 상용화를 위한 범국가적 R&D 경쟁이 치열하다. 
 * 고체전해질(Solid Electrolyte): 리튬이온이 전도 가능한 고체 상태의 물질

그중 리튬금속 음극은 기존 흑연 음극에 비해 에너지 밀도가 높은 최적의 소재임에도 불구하고 전해질과 리튬금속 사이에서 부반응이 발생하며, 충전 시 음극 표면에 덴드라이트(Dendrite)*가 발생하기 때문에 전지 폭발 등 화재 가능성이나 전지 수명을 저하시킨다는 문제점을 안고 있었다.
 * 리튬 이온이 음극 표면에 나뭇가지 모양으로 과도하게 축적되는 현상 
KETI 차세대전지연구센터(센터장 유지상)는 나노 입자의 실리콘 분말을 활용하여 높은 이온 전도성을 가진 리튬금속 보호층을 개발함으로써, 최종적으로 리튬금속 전고체전지의 출력 성능을 향상시켰다.

기술 개발을 주도한 이긍종 연구원과 최승호 박사(선임연구원)에 따르면 나노 사이즈의 실리콘 분말로 구성된 보호층은 리튬 금속과 실리콘-리튬 합금을 형성하여 음극 표면의 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있음을 확인하였다.

또한 이번 연구를 통해 개발된 합금 보호층 기술을 제작 공정에 적용하여 높은 출력 환경에서의 안전성을 확보했으며, 파우치형 셀 검증을 통해 기술의 상용 가능성을 증명할 수 있었다.

연구 결과는 에너지화학 분야의 저명한 국제 학술지인 ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters, IF=19.3) 최신호*(8월 발간)에 게재되는 성과를 이뤘다. 
 * Intimate Protective Layer via Lithiation Sintering for All-Solid-State Lithium Metal Batteries  (리튬화 소결 공정을 통한 리튬 금속 전고체전지용 밀착 보호층 기술 개발)

KETI 차세대전지연구센터 유지상 센터장(교신저자)은 “전고체전지의 에너지밀도를 높이기 위해서는 리튬금속 음극의 적용이 필수적이나, 리튬 덴드라이트 현상은 전지 개발의 큰 걸림돌로 작용해왔다.”라고 말하면서 “KETI 연구진이 개발한 리튬금속 보호층 기술은 향후 대면적화가 가능하여, 전고체전지 성능을 향상시키는 핵심 기술이 될 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.

한편, 본 연구 성과는 산업통상자원부, 한국산업기술기획평가원의 지원을 받은 자동차산업기술개발사업과 과학기술정보통신부 및 한국연구재단이 추진하는 STEAM 연구사업을 통해 개발되었다.

※ 논문저자 정보
(1) 주저자:  1. 이긍종 연구원 (한국전자기술연구원, 성균관대 에너지과학과)
                    2. 이동규 연구원 (고려대 기계공학과)
(2) 교신저자: 1. 최승호 선임연구원(한국전자기술연구원 차세대전지연구센터)
                      2. 유동주 교수 (고려대 기계공학과)
                      3. 윤원섭 교수 (성균관대 에너지과학과)
                      4. 유지상 센터장(한국전자기술연구원 차세대전지연구센터)  

<설명> 리튬 금속 전고체전지 구성 모식도(좌) 및 파우치형 셀 성능 평가 결과(우)


<설명> 리튬 금속 전고체전지 구성 모식도(좌) 및 파우치형 셀 성능 평가 결과(우)



<설명> ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters) 최신호(8월) 커버
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