[포항=뉴시스]송종욱 기자 = 스마트폰이 폭발하고, 전기차가 불탄다. 이 공포를 근본부터 없애겠다며 등장한 기술이 '전고체 전지'다.

포스텍은 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수, 김민호 박사 연구팀이 국립부경대 화학공학과 이상호 교수와 공동 연구로 전고체 전지 핵심 문제를 해결할 새로운 전극 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

이 연구는 우수성을 인정받아 나노·재료·화학 분야 국제 학술지 '나노 레터스' 앞 표지 논문으로 실렸다.

'전고체 전지'는 배터리 내부 액체 전해질을 고체로 바꾼 배터리로 현재 전기차 업계에서 가장 주목 받는 차세대 기술이다. 화재 위험이 적고 안정성이 높은 것이 특징이지만 고체 전해질은 액체처럼 전극 구석구석까지 스며들기 어려워, 리튬 이온의 이동이 제한됐다.
 
배터리는 리튬 이온(Li+)이 전극 사이를 오가면서 전기를 만드는데 고체 전해질이 전극 안쪽까지 닿지 못하면 이온이 움직일 공간 자체가 줄어든다. 그 결과, 전극 일부만 반응에 참여하고, 나머지는 놀게 되면서 충전도 느리고, 수명도 짧아지는 문제가 있었다.

연구팀은 '나무의 성장 방식'에서 해법을 찾았다. 먼저 화학기상증착법(CVD)을 이용해 전류를 전달하는 금속 기판 위에, 틴옥사이드(SnO₂)를 머리카락 굵기의 수백 분의 1 수준으로 가늘게 뽑아, 선 형태의 나노 구조(나노 와이어)로 형성했다.

추가 공정을 통해 이 나노 와이어가 나뭇가지처럼 사방으로 뻗어나가도록 유도해, 3차원 분지형 구조를 구현했다. 이 구조는 바인더(입자 붙이는 접착제)나 도전재(전기 잘 흐르게 하는 탄소 등) 같은 첨가물 없이, 오직 틴옥사이드(SnO₂)만으로 구성된 자립형 구조라는 점에서도 차별성을 가진다.

특히 가지들이 자라며 서로 밀어내는 과정에서 자연스럽게 형성된 미세한 틈새 공간은 고체 전해질이 전극 내부 깊숙이 침투할 수 있는 통로가 된다. 그 결과, 마치 복잡한 골목길을 누비듯 리튬 이온이 전극 안팎을 자유롭게 이동할 수 있게 됐다.

연구팀은 포항가속기연구소의 X-ray 분석으로 고체 전해질이 전극의 내부까지 균일하게 침투하는 모습을 직접 확인했다.

이러한 구조적 설계로 분지형 전극은 애초의 슬러리 방식으로 제조한 전극에 비해 1A·g-1의 높은 전류 밀도에서 대략 7배 높은 용량을 보여주며 빠른 충방전 특성을 보였다. 이번 연구는 그간 전고체 전지 상용화를 가로막던 근본적인 기술 장벽을 허무는 실마리가 될 것으로 기대된다.

김원배 교수는 "나노와 마이크로를 아우르는 전극 구조 제어는 전고체 전지 설계에서 중요한 요소"라며 연구 의미를 설명했다. 또 국립부경대 이상호 교수는 "전극과 고체 전해질 사이의 접촉 계면을 효과적으로 개선할 수 있는 새로운 접근법을 제시했다는 점에서 의의가 크다"고 전했다.

한편 이번 연구는 과기부 중견 연구 사업·세종과학펠로우십, 산업부 배터리 특성화대학원 사업의 지원을 받아 수행했다.


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