한국전자통신연구원(ETRI)이 전고체 이차전지를 위한 새로운 양극 구조를 개발했다. 이황화티타늄(TiS2)만을 사용한 활물질로 고체 전해질을 제거함으로써 에너지 밀도를 1.3배 높일 수 있게 한 기술이다.

전고체 이차전지는 배터리에서 이온을 전달하는 전해질로 고체를 사용하는 방식을 말한다.

현재 널리 쓰이는 리튬이온 배터리가 액체 전해질을 사용의 폭발 등의 위험이 있는 반면, 구조적으로 단단한 고체 상태의 전해질을 사용한 전고체 배터리는 안전하며, 분리막 등을 제거할 수 있어 배터리 에너지 밀도 향상에도 이점이 있다.

하지만 전고체 배터리는 대중화까지에는 여러 기술적 과제가 존재한다. 액체 전해질에 비해 리튬이온의 이동 속도가 느려 출력 향상 어렵다는 난제가 대표적이다. 

황화물계 고체 전해질을 사용하면, 높은 화학적 반응성으로 인해 용매와 바인더 선택이 까다롭고 수분을 극도로 제어해야 하는 등 제조공정이 까다롭다는 단점도 존재한다. 

ETRI의 연구는 양극에서 전해질을 제거하는 발상의 전환으로 눈에 띈다. 전해질을 제거하게 되면, 전해질이 들어갈 공간을 에너지를 저장하는 활물질로 채울 수 있어 에너지 밀도를 크게 높일 수 있다. 

연구진은 이황화티타늄(TiS2)에 압력을 줘 입자간 빈틈이 없게 만든 활물질을 구현하고, 이를 바인더와 연결해 전해질 없는 양극을 구성했다. 연구진은 대구경북과학기술원(DGIST) 공동연구팀의 도움을 받아 리튬 이온이 직접 이황화티타늄 입자들을 통해 원활하게 확산됨을 확인했다. 

연구진에 따르면, 이 기술은 용매와 바인더 선택이 자유로울 뿐 아니라 기존 리튬이온전지의 극판 제조공정을 그대로 활용할 수 있어 가격경쟁력도 높일 수 있는 이점이 있다.

ETRI는 이보다 앞서 흑연을 기반으로 한 음극 구조를 개발한 바 있다. 앞으로 이들 성과를 기반으로 후속 연구를 진행하고, 전지 구조를 종합하면서 출력 특성을 개선할 수 있는 연구도 병행할 계획이다.

ETRI 이영기 지능형센서연구실 책임연구원은 “음극과 양극 모두에서 활물질만으로 이온을 확산할 수 있다는 것을 최초로 확인했다”며 “이 기술을 근간으로 에너지밀도를 더욱 향상할 핵심 원천 기술을 확보하고 상용화에 이바지하겠다”라고 밝혔다.