전고체전지 설계 방법론을 개발한 연구진. 정성균(왼쪽부터) UNIST 교수, 이주호 한국에너지기술연구원 학생연구원, 김진수 한국에너지기술연구원 박사.[한국에너지기술연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 세계 최초로 전고체 전지 개발을 위한 범용적 설계 방법론을 제시했다.

한국에너지기술연구원 울산차세대전지연구개발센터 김진수 박사와 울산과학기술원(UNIST) 정성균 교수 연구팀이 고에너지밀도 전고체 전지를 구현하기 위한 설계 방법론과 범용 설계 툴킷을 공동 개발하고 성능 검증까지 완료했다.

전고체 전지는 리튬이온전지의 단점으로 제기되는 인화성의 액체 전해질 대신 비인화성의 고체 전해질을 활용해 화재의 위험에서 안전한 이차전지다. 효율적인 셀과 시스템 구조 설계를 통해 에너지밀도까지 크게 높일 수 있다는 장점이 있어 널리 연구되고 있다.

하지만 전지의 전극과 셀을 설계하기 위한 과학적인 가이드라인이 없다 보니 주로 연구자의 경험에 의존해 소재를 조합하고 설계 인자를 제어하는 비효율적인 연구 개발이 이뤄지고 있다.

이를 해결하기 위해 연구진은 전극의 설계 조건을 균형 임계값, 투과 임계값, 부하 임계값으로 정의하고 이를 통해 세계 최초로 전고체 전지를 설계하는 범용적 방법론을 제시했다. 제시된 방법론을 기반으로 제작된 파우치형 셀은 상용 리튬전지를 뛰어넘는 에너지밀도를 나타내 공인 시험기관의 인증을 획득했다.

연구진은 고안된 설계 방법론을 적용해 0.5Ah(암페어시)의 용량에서 310Wh/kg(킬로그램당 와트시)의 높은 에너지밀도를 갖는 파우치형 전고체전지 적층셀을 제작하는 데 성공했다. 제작된 셀은 한국건설생활환경시험연구원의 공식 시험 인증까지 획득해 성과의 우수성을 증명했다.

툴킷 ‘SolidXCell’ 구동 화면.[한국에너지기술연구원 제공]

또한 연구진은 개발한 설계 방법론을 누구나 쉽게 사용할 수 있도록 전고체전지 설계 툴킷 ‘SolidXCell’을 개발했다. SolidXcell은 다중 스케일과 다중 인자 기반의 복잡한 전고체전지 설계를 직관적이고 체계적으로 설계할 수 있는 디자인 플랫폼으로, 일반 연구자들이 전고체전지 설계에 활용할 수 있도록 논문의 보충자료로 무상 배포중이다.

김진수 박사와 정성균 교수는 “전고체전지 범용 설계 방법론을 최초로 제시한 점, 실증셀 성능 검증을 거친 설계 툴킷을 개발해 공유하는 것은 전고체 전지 설계 분야에 큰 도움이 될 것”이라며 “많은 연구자가 전고체전지의 효율적인 설계를 통해 유의미한 성능 향상을 촉진하며 현재의 기술 장벽을 뛰어넘을 수 있기를 기대한다”고 밝혔다.

현재 공동 연구팀은 한국산업기술진흥원과 울산광역시의 지원을 통해 국내 최초의 차세대 배터리 실증화를 지원하는 ‘차세대 이차전지 상용화 지원센터’를 구축하고 있다. 이를 통해 향후 관련 기업에 전고체전지, 리튬금속전지, 리튬황전지의 프로토타입을 제조하고 평가, 분석할 수 있는 인프라를 제공할 예정이다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 게재됐다.