한양대, 전고체전지 성능저하 해결할 원천기술 개발

by신하영 기자
2025.02.21 14:31:44

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[이데일리 신하영 기자] 한양대 연구진이 차세대 배터리로 불리는 전고체 전지의 성능 저하 문제를 해결할 원천기술을 개발했다.

사진=한양대 제공

한양대는 선양국(사진) 에너지공학과 교수팀이 이러한 연구 성과를 거뒀다고 21일 밝혔다. 이번 연구에는 박남영 박사와 이한욱 석사가 제1 저자로 참여했으며 선양국 교수가 교신저자를 맡았다. 연구 결과는 세계 최고 권위의 학술지(Nature Energy)에 게재됐다.

고체 전해질을 사용하는 전고체 전지는 발화·폭발 위험이 굉장히 낮아 차세대 배터리로 주목받고 있다. 다만 에너지 밀도를 높이기 위해 니켈 함량이 높은 양극재를 사용하면 △양극 소재-고체 전해질 계면 손상 △미세 균열 발생으로 인한 양극 내부 비활성화 △양극재와 전해질 간 접촉 저하 등의 문제가 발생한다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 니켈 함량 증가에 따른 성능 저하 요인을 정량적으로 분석했다. 그 결과 니켈 함량 80% 이하의 양극재 사용이 계면 손상의 주된 원인으로 작용하는 것으로 나타났다. 또한 이를 90% 이상으로 높이면 미세 균열과 전해질 접촉 저하가 더욱 심각한 문제가 되는 것을 확인했다. 충·방전 과정에서 성능이 급격히 저하되는 점을 규명한 것이다.



이에 연구팀은 전고체 전지에 최적화된 하이니켈 양극재를 개발, 에너지 밀도와 내구성을 획기적으로 향상시켰다. 막대형 1차 입자의 방사형 배열 구조를 적용해 충·방전 시 발생하는 변형을 극복하는 방식을 도입한 것. 그 결과 충·방전 과정에서 발생하는 전기화학적·기계적 열화를 효과적으로 억제, 전고체 전지 문제를 극복할 수 있었다.

이 기술을 적용한 양극재 기반의 전고체 전지의 경우 높은 에너지 밀도와 안정적 수명 특성을 보였다. 이는 실제 상업화에 요구되는 조건에서 진행한 평가다. 특히 이 기술을 전기차에 적용하면 1회 충전으로 800km 이상 주행이 가능하다. 화재 위험도 거의 없어 안전성이 강화된 배터리를 구현할 수 있다.

이번 연구는 하이니켈 양극재를 전고체 전지에 효과적으로 사용할 새로운 방안을 제시한 것으로 평가된다. 차세대 배터리 시장 선점을 위한 원천기술 확보란 점에서 의미도 크다.

이번 연구는 산업통상자원부 에너지 인력양성 사업 등의 지원을 받아 수행했다. 선양국 교수는 “이번 연구를 통해 전고체 전지의 성능 저하 요인을 정량적으로 분석하고, 이를 극복할 핵심 기술을 개발했다”며 “앞으로도 우리나라가 차세대 배터리 시장에서 글로벌 경쟁력을 확보할 수 있도록 연구를 지속할 것”이라고 말했다.