국립부경대학교와 한국에너지기술연구원 연구팀이 차세대 전고체리튬이온전지의 핵심 난제를 해결할 소재 설계 기술을 내놨다.

김남형 교수 국립부경대 신소재시스템공학과 연구팀과 차형연 한국에너지기술연구원 박사 연구팀은 나노·마이크로 구조를 동시에 설계하는 '멀티 스케일 구조 설계 전략'을 통해 전고체전지용 고니켈 양극의 수명과 출력을 동시에 확보하는 데 성공했다고 밝혔다.

연구팀은 기존 다결정 고니켈 양극 입자가 전고체전지 환경에서 용량이 약 20% 감소하고, 높은 압력 조건에서 입자 균열과 고체전해질 불균일 접촉으로 반응하지 못하는 '죽은 영역'이 대량 발생하는 문제에 주목했다.

이를 해결하기 위해 양극 입자 내부에 쌍정 결함을 인위적으로 도입해 리튬 이온의 이동 통로를 확보하고, 입자 전체가 하나의 결정으로 이뤄진 단결정 고니켈 NCM(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O) 구조를 도입했다. 단결정 구조는 결정립계가 거의 없어 고압 조건에서도 미세 균열 없이 전극 구조를 장기간 유지할 수 있다.

실제 전고체전지 환경에서 평가한 결과, 단결정 NCM은 초기 방전 용량 약 197 mAh/g을 기록했으며 100회 충·방전 후에도 90% 이상 용량을 유지해 액체전해질 전지에 버금가는 수명 특성을 확인했다.

김남형 교수는 "전고체전지 환경에 최적화된 양극 구조 설계 패러다임을 제시했다는 점에서 의미가 크다"며 "멀티 스케일 소재 설계가 차세대 전고체전지용 상용 양극 개발의 중요한 가이드라인이 될 것"이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 재료과학 분야 상위 5% 국제 학술지 'Energy Storage Materials'에 게재됐다.