POSTECH, 고속 충전 실현할 ‘마이크로 패터닝’ 기술 개발

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환)-부경대학교 연구팀이 분자나 나노 입자를 선택적으로 제어해 마이크로·나노 크기의 구조물을 제작하는 ‘마이크로 패터닝 기술’을 개발했다. 

이 기술로 전극 내 전기화학적으로 활성화된 표면을 개선할 수 있어 초급속 충전 배터리의 실현이 앞당겨질 것으로 기대된다.

POSTECH 화학공학과 김원배 교수∙통합과정 김민호∙박사과정 강송규 연구팀은 부경대 화학공학과 이상호 교수와 함께 전극에 규칙적인 모양이 반복되면서 패턴을 형성시킬 수 있는 ‘마이크로 패터닝’ 기술을 적용해, 전고체 전지의 계면 안정성과 충-방전 속도 특성을 크게 향상할 수 있는 기술을 개발했다. 

이 연구 결과는 나노·재료·화학 분야 권위지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 논문으로 게재됐다.

전고체 전지(all-solid-state battery)는 리튬 이온이 이동하는 통로인 전해질을 기존 액체에서 고체로 대체한 차세대이차전지다. 

배터리의 화재 안정성과 에너지 밀도를 높이기 위해 이러한 전고체 전지에 대한 관심이 전 세계적으로 높아진 상황이다. 

하지만 고체전해질의 특성 때문에 전극 표면에 제대로 접촉하지 못하고 불안정한 계면을 형성하는 문제가 크다. 

이러한 계면 문제는 전지 성능에 직접적으로 악영향을 주어 전고체 전지 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다.

연구팀은 반도체 소자 제작 공정 중 하나인 포토리소그래피(photolithography) 공정과 리프트 오프(lift-off) 공정, 화학기상 증착법(chemical vapor deposition) 을 순차적으로 이용해 마이크로 패턴된 산화주석(SnO2) 나노와이어(nanowire)를 합성했다. 

전통적인 전극과 달리 이러한 패턴 전극은 어떠한 도전재, 바인더 없이 집전체 위에 직접적으로 성장하면서 합성됐다. 또, 다양한 포토마스크(photomask)를 활용해 다양한 규격의 패턴 전극을 구현했다.

이렇게 개발된 패턴 전극에서 고체전해질이 전극에 더 깊숙이 침투할 수 있는 것을 확인했다. 단면 분석을 통해 패턴 전극이 일반 전극보다 전극과 전해질 사이의 계면이 안정적으로 형성이 돼있고, 넓은 전기화학적 활성 표면적을 가지는 것을 확인했다. 

결과적으로, 최적화된 규격을 가지는 패턴 전극이 일반 전극보다 고속에서 높은 용량 값을 보이며 반복되는 충-방전 사이클 동안 용량을 오래 유지하는 것을 확인했다.

연구를 주도한 김원배 교수는 “고성능 전고체 전지에 적용된 마이크로패터닝 기술은 새로운 연구 방향을 제시한다”며 “배터리 전극과 고체상 전해질의 계면에 대한 이해를 제공할 수 있을 것”이라고 말했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구지원사업, 선도연구센터(ERC), 세종과학펠로십 및 산업통상자원부 리튬기반 차세대이차전지 성능고도화 및 제조기술 개발사업의 지원을 받아 수행됐다.