전남대 윤창훈 교수팀, 친환경 집전체로 고성능 전고체 배터리 개발 성공

전남대학교 윤창훈 교수팀이 꿈의 배터리라 불리는 전고체 전지의 성능을 크게 향상시키는 친환경 집전체를 개발했다. 잇단 전기차 폭발 사고로 불타지 않는 안전한 이차전지에 대한 관심이 높아진 상황에서 나온 연구 결과여서 더욱 주목받고 있다.

전남대 윤창훈 교수(고분자융합소재공학부. 교신저자)와 박세정 석사생(공동주저자)은 한국생산기술연구원 임진섭 박사 연구팀 송영웅 박사과정생(공동주저자)과 함께 고체 전해질과 NCM 삼원계 활물질로 구성된 양극재에 신개념 3차원 집전체가 적용된 고성능 전고체 전지 개발에 성공했다.

리튬이온전지의 가연성 전해질 용액을 고체로 바꾼 전고체 전지(all solid-state battery)는 배터리 팩에 구멍이 뚫려도 폭발하지 않는 꿈의 배터리로 알려져 있지만, 고체 전해질의 특성상 통상적인 리튬이온전지 보다 낮은 이온 전도도를 보인다. 즉, 전고체 전지는 배터리 출력이 낮고 고속 충전 시 충전 용량이 감소하는 치명적인 단점이 있는 것이다. 전기차 주행 시 가속, 감속 성능이 떨어지고 동일한 전기 에너지를 충전하는 데 더 많은 시간이 걸린다는 뜻이다.

집전체는 전지를 충,방전할 때, 배터리 내부 활물질에서 전기 화학 반응이 원활하게 일어날 수 있도록 전자의 출입을 돕는 역할을 하며, 머리카락보다 얇은 10 마이크로미터 두께의 알루미늄 포일이 주로 사용된다.

연구팀은 3차원 입자 형태의 고체 활물질과 2차원 구조를 갖는 집전체 사이의 물리적 접촉이 힘든 전고체 배터리의 구조에 주목했다. 즉, 집전체와 접촉하지 않은 활물질은 전기 화학 반응에 참여할 수 있는 가능성이 낮아, 제 성능을 내지 못한다는 접근이다.

연구팀은 이 한계를 극복하기 위해, 전기 화학 안정성이 뛰어나고 전자를 잘 이동시키는 20 나노미터 굵기의 셀룰로스-탄소나노선 복합소재로 구성된 3차원 다공성 구조물을 도입한 집전체를 개발했다. 이러한 미세 다공성 집전체는 전고체 배터리 활물질 입자를 그물처럼 감싸주어 접촉 면적을 증가시켜, 접촉 저항을 감소시키고 결과적으로 이온 전도도를 향상시켰다.

연구팀이 개발한 3차원 집전체를 이용한 전고체 전지는 알루미늄 포일을 이용한 전지 대비 약 20% 증가한 충전 용량을 보였다. 특히 1.0C-rate의 고속 충전 조건에서 2배 이상 높은 충전 용량을 보였으며, 100 cycle 내구성 평가 이후 40% 이상 향상된 용량 유지율을 보였다.

연구팀이 개발한 3차원 집전체는 기존 알루미늄 포일 위에 셀룰로스-탄소나노선 분산액을 1 마이크로미터 두께로 코팅하여 제작되기 때문에, 기존 코팅 공정에 호환이 잘 되고 대면적 생산도 가능하다. 무엇보다 셀룰로스-탄소나노선 분산액은 물, 천연 펄프, 탄소나노선을 이용해 친환경적인 방법으로 만든 소재이기 때문에, 환경 오염이나 인체 유해성 문제가 없다. 또한 기공성 구조이기 때문에 배터리의 무게나 부피를 크게 증가시키지 않는다는 장점도 가지고 있다.

해당 연구는 영국왕립화학회(RSC)가 발행하는 Energy&Fuels 분야 JCR 상위 10% 이내의 국제학술지 'Journal of Materials Chemistry A(영향력지수 10.7)' 온라인판에 최근 게재됐다.

윤창훈 교수는 "배터리 연구 인프라가 잘 갖추어진 한국생산기술연구원과 협업을 통해 비교적 빠른 시간에 좋은 성과를 얻을 수 있었다"라며 "근본적으로 고체 입자 형태의 활물질을 갖는 모든 전고체 배터리에 적용이 가능하기 때문에 파급력이 크다"고 기대했다.

논문원제는 3D current collector based on cellulose-carbon nanotube nanocomposites for all-solid-state batteries이다.