서강대학교 장지현 교수 교신저자 참여,

전고체전지 성능 향상을 위한 혁신적인 등압성 파우치 셀 기술 개발

국제 저명 학술지인 Advanced Energy Materials 전문 게재 -

  서강대학교(총장 심종혁) 화학과 장지현 교수가 교신저자로 참여한 최신 연구에서 기존의 전고체전지 성능을 극대화할 수 있는 연구 결과를 美 시카고 대학의 Y. Shirley Meng 교수 연구팀과 함께 발표하였다.

최근, 전고체전지는 가장 유망한 차세대 전지의 선두주자 중 하나로 떠오르고 있다. 전고체전지는 기존의 상용화 된 리튬이온 전지의 가연성 유기 액체 전해질을 상대적으로 안전한 고체 전해질로 대체해 안전성을 크게 높일 수 있으며 또한 높은 에너지 밀도도 구현할 수 있다는 장점을 지니고 있다.

하지만 전고체전지는 소재 간 효과적인 계면 접촉 유지를 위해 충ㆍ방전 시 압력의 정밀한 제어가 필수적이다. 기존 전지 연구에서 주로 사용되던 일축 셀 홀더는 전극 부피 변화 대응, 균일한 압력 분포 제공, 장기간 일정 압력 유지 등에 한계를 보였다. 이러한 문제를 해결하고자 연구진은 공기를 가압 매체로 활용, 충ㆍ방전 간 균일하고 정확한 압력 조절이 가능한 등방성 파우치 셀 홀더를 개발했다.

연구팀은 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 | Li6PS5Cl(황화물계 고체전해질) | Si 파우치 셀을 제작, 1~5 MPa 압력 범위에서 성능을 시험했다. 그 결과 충ㆍ방전 압력이 높을수록 전기화학적 성능이 향상됐으며, 이는 기존의 전고체전지의 구동 압력에 비해 매우 낮은 압력 조건이며, 특히 2 MPa가 최적의 가압 조건임을 확인하였다.

상기 언급한 셀 홀더를 적용한 이중층 파우치 셀(이론 용량 100 mAh)은 76.9%의 초기 효율과 173.6 mAh g−1(88.1 mAh)의 초기 방전 용량을 나타내었다. 또한 100회 사이클 이후에도 83.6%의 높은 용량을 유지함으로써 획기적인 결과를 나타내었다.

이번 연구는 등방성 파우치 셀 홀더가 전고체전지의 성능 향상과 실용화에 매우 효과적임을 입증했다. 전문가들은 이 혁신적 기술이 향후 전고체전지 개발 및 상용화에 중요한 역할을 할 것으로 전망하고 있다.

▶ 논문링크 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202304327

▶ 논문제목 : Enabling Uniform and Accurate Control of Cycling Pressure for All-Solid-State Batteries

▲ 전고체전지 파우치 셀 내부 단면 이미지 및 셀 홀더 

▲ 교신저자 서강대학교 화학과 장지현 교수