이번 연구 논문은 24일 세계 과학계 연구성과 지표의 기준이 되는 최고 권위의 과학 저널 ‘사이언스(Science)’지(373권 6562호)에 실려 그 성과를 인정받았다고 한다. 

전고체 배터리는 배터리의 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 대체함으로써 현재 사용 중인 리튬-이온 배터리보다 에너지 밀도를 향상시키고 안전성도 강화할 수 있는 차세대 배터리다.

하지만 에너지 밀도 향상을 위해 리튬 금속을 음극으로 적용한 기존 전고체 배터리의 경우 온도에 민감해 60도 혹은 그 이상의 고온 환경에서만 충전할 수 있는데다 느린 충전 속도가 한계로 지적되어 왔다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 전고체 배터리의 음극에서 도전(導電)재와 바인더를 제거하고 5um(마이크로미터) 내외의 입자 크기를 가진 ‘마이크로 실리콘 음극재’를 적용했다고 한다.

프로젝트 팀에 따르면, 테스트의 첫 번째 라운드는 새로운 배터리가 안전하다는 것을 보여 주었으며 긴 수명과 높은 에너지 밀도를 보였다고 한다. 개발자들은 그리드 스토리지에서 전기 자동차에 이르기까지 광범위한 응용 분야에 대한 약속을 보유하고 있다고 말했다. 무엇보다도, 팀은 실온에서 80%의 용량 보존으로 500개의 충전 및 방전 주기를 허용하는 실험실 규모로 완전한 셀을 생산하는 데 성공했다고 밝혔다.

또한 이 배터리 구성으로 실리콘과 같은 합금 양극을 사용하여 고체 배터리에 대한 새로운 영역을 열고 있다고 평가했다. 실리콘 양극은 오늘날 상업용 리튬 이온 배터리에 가장 자주 사용되는 흑연 양극의 에너지 밀도의 10 배를 가지고 있는 것으로 알려져 있지만, 현재까지 불안정한 것으로 판명되고 있다. 그 결과 지속적인 성능으로 충전 및 방전 공정의 수가 지금까지 심각하게 제한됐다.

문제의 대부분은 실리콘 양극과 그들이 결합 된 액체 전해질 사이의 상호 작용에 의해 발생한다. 충전 및 방전 시 실리콘 입자의 대량 팽창에 의해 상황이 복잡해지고 있다. 이로 인해 시간이 지남에 따라 상당한 용량 손실이 발생한다. 가장 큰 문제 중 하나는 액체 전해질 인터페이스의 불안정이며 그래서 다른 접근 방식을 취했다고 한다

에너지 밀도가 높은 차세대 솔리드 스테이트 배터리는 여전히 금속 리튬에 양극으로 의존하고 있다. 그러나 충전 하는 동안 배터리 충전 속도 및 높은 온도 (일반적으로 섭씨 60도 이상)에 대한 제한이 있다. 실리콘 양극은 이러한 한계를 극복하여 높은 에너지 밀도를 유지하면서 실내에서 낮은 온도까지 훨씬 빠른 충전 속도를 허용한다고 밝혔다.

물론 실리콘 양극은 새로운 것이 아니다. 수십 년 동안 과학자와 배터리 제조업체는 리튬 이온 배터리의 기존 흑연 양극에 혼합하거나 완전히 교체하는 에너지 밀도의 재료로 실리콘을 찾아왔다. 이론적으로 실리콘은 흑연의 저장 용량의 약 10배를 제공한다. 그러나 실제로, 에너지 밀도를 높이기 위해 양극에 첨가된 리튬 이온 배터리는 일반적으로 실제 성능 문제로 인해 어려움을 겪는다. 특히 성능을 유지하면서 배터리를 충방전 횟수가 충분히 높지 않다.

연구팀은 탄소와 바인더를 제거하고 액체 전해질을 황화물계 고체 전해질로 대체하고 전술한 순수 실리콘 양극을 사용했다. 또한, 연구원은 마이크로 실리콘에 의존했는데 이는 덜 처리되고 더 일반적으로 사용되는 나노 실리콘보다 저렴하다고 한다. 이 구조를 사용하여, 팀은 양극이 배터리 작동 중에 유기 액체 전해질로 포화 될 때 발생하는 여러 가지 문제를 피했다고 한다. 동시에, 양극에서 탄소의 누락이 현저히 감소된 안면 접촉과 고체 전해질과의 바람직하지 않은 측면 반응의 결과이며 따라서 액체 계 전해질로 일반적으로 발생하는 용량의 지속적인 손실을 피한다고 말했다.

사용되는 고체 황화물 계 전해질과 관련하여 과학자들은 "종종 매우 불안정한 것으로 간주된다"고 평가하고 있다. 그러나, 이것은 액체 전해질 시스템에 사용되는 기존의 열역학 적 해석을 기반으로 하며, 이는 고체 전해질의 우수한 운동 안정성에 대한 정의를 하지 않기 때문이라고 강조했다.

또한 솔리드 스테이트 실리콘 접근 방식은 기존 배터리의 많은 한계를 극복한다고 말했다. 이는 특히 그리드 에너지 저장을 위한 더 높은 볼륨 에너지, 비용 절감 및 안전한 배터리에 대한 시장 수요를 충족시킬 수 있는 흥미로운 기회를 제공한다고 주장했다. 

UC 샌디에이고에서는 LG에너지 솔루션과의 추가 연구 협력을 포함해 기초공사가 계속되고 있다.

LG에너지 솔루션 의 사장 겸 최고조달책임자인 김명환 LG에너지 솔루션 사장은 "이번 조사결과 LG에너지 솔루션은 배터리 제품 라인업을 크게 다각화할 수 있는 전형 형 배터리 기술을 실현하는 데 훨씬 더 가깝다. 선도적인 배터리 제조업체로서 LG 에너지솔루션은 차세대 배터리 셀에 대한 선도적인 연구에서 최첨단 기술을 육성하기 위한 노력을 계속할 것."이라고 말했다. 무엇보다도 LG에너지솔루션은 UC 샌디에이고와의 연구협력을 지속적으로 확대하고 고체 배터리 시대를 앞당길 것이라는 점을 강조했다.