오필건 부경대 교수, 전고체 전지 차세대 음극재로 ‘카본나노파이버’ 제시

[이데일리 박민 기자] 이른바 꿈의 배터리로 꼽는 ‘전고체 전지’의 상용화를 위해 관련 업계의 연구개발이 한창인 가운데 에너지 밀도를 높이기 위한 음극 소재로 ‘카본나노파이버’가 눈길을 끌고 있다.

전고체 전지는 배터리 내에서 전기를 발생시키는 리튬이온의 이동통로인 전해질을 기존 액체에서 고체로 바꾼 것을 말한다. 전해질이 액체에서 고체로 바뀌면 내구성과 구조 안정성이 더 좋아지고, 이에 배터리 전압과 용량도 더 높일 수 있어 1회 충전에 따른 주행거리를 획기적으로 개선할 수 있다.

오필건 부경대학교 나노융합공학과 교수는 25일 한국미래기술교육연구원이 서울 여의도 전경련회관 사파이어홀에서 개최한 ‘차세대 전지 개발 이슈와 혁신 기술 상용화 방안’ 세미나에서 전고체 전지의 차세대 음극 소재로 ‘카본나노파이버’를 제시했다.

음극재는 양극재와 함께 배터리의 용량과 성능(사용시간)을 결정짓는 주요 요소다. 여기에 배터리를 안정성을 구현하는 요소인 전해질과 분리막을 합쳐 배터리 4대 핵심요소로 꼽는다.

오 교수는 “액체 전해질은 활물질(배터리 내 전기를 일으키는 반응을 담당하는 물질)과 액상이 접촉해 좋은 계면을 형성할 수 있지만, 고체는 좋은 접촉면적을 확보하기 어렵다”며 “이러한 단점에 전도도와 에너지 밀도가 낮아져 이를 극복하기 위해서는 결국 어떤 음극재를 쓸 것이냐가 중요하다”고 말했다.

배터리 업계에서는 전고체 배터리의 성능을 높이기 위해 기존에 음극재로 썼던 천연·인조흑연 대신 리튬메탈을 연구하고 있다. 리튬메탈은 에너지 저장 용량을 높이면서 충전속도까지 획기적으로 높일 수 있지만, 안정성 문제를 해결해야 한다.

리튬메탈은 배터리 충전 시 리튬이 음극재 표면에 쌓이면서 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라나는 ‘덴드라이트(dendrite)’ 현상이 발생해 배터리 성능과 안정성에 문제를 일으킬 수 있기 때문이다. 특히 고속 충전 시 이 같은 현상은 더 쉽게 발생할 수 있어 급속 충전 개발을 위해선 넘어야 할 산이다.

오 교수는 “음극재로 리튬메탈을 채용하는 연구가 많이 이뤄지고 있지만 단점이 많다”며 “리튬이 석출(용질이 결정화되는 현상)되는 공간을 미리 확보하고, 리튬 석출을 유도하는 시스템이 리튬메탈 음극재 상용화의 응급책이 될 것”이라고 말했다.

오 교수는 또 전고제 전지의 차세대 음극재로 ‘카본나노파이버’를 활용한 음극 집전체를 제시했다. 카본나노파이버는 음극 전극으로 사용됨과 동시에 우수한 전기전도성을 가지고 있어 배터리의 에너지 밀도 개선이 가능하다.

오 교수는 “충분한 내부 기공으로 인해 리튬금속 산화 환원 시 전극의 부피 변화를 완화시켜줄 수 있다”며 “현재 대부분의 리튬금속전지 음극 기술이 가지고 있는 충방전 과정 중 전극 부피 변화 문제를 효과적으로 해결할 수 있을 것”이라고 말했다.