탄소나노소재로 전기차 폭발 위험 낮춘다

국내 연구진이 폭발 위험이 없는 전고체전지의 상용화 걸림돌이었던 계면저항 문제를 해결할 신소재를 개발했다. 고성능 전기차를 실현할 안전한 이차전지의 새로운 단초가 될 것으로 기대를 모은다.
이상민 한국전기연구원 차세대전지연구센터장 연구진은 전고체전지 내 고체전해질과 탄소 간 계면의 불안정성 원인을 밝히고 이를 극복할 수 있는 '나노탄소 도전재'를 개발했다고 29일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '스몰' 최신호의 '핫 토픽'으로 게재됐다.
전고체전지는 불이 잘 붙는 액체전해질 대신 전극과 전해질을 모두 고체로 만들어 전해액 누출에 따른 화재와 폭발 위험성을 없앤 차세대 전지다. 하지만 전지를 구성하는 고체 입자 때문에 입자 간의 계면 안정성이 떨어지는 문제가 있었다. 최근 전자의 흐름을 돕는 소재인 탄소도전재가 주요 원인으로 지목되긴 했지만 제대로 규명되지는 못했다.
이런 가운데 연구진은 비정질 탄소 표면에 존재하는 다수의 작용기(탄소의 성질을 결정짓고 실질적으로 화학반응에 관여하는 원자단)가 황화물 고체전해질과의 부반응에 직접적인 영향을 미친다는 사실을 처음으로 규명했다. 전기화학반응을 통해 작용기가 사라지면서 발생하는 부반응에서 절연성 물질이 고체뿐만 아니라 기체 형태로도 방출된다는 사실을 발견한 것이다.

이 센터장은 "작용기가 없으면 탄소도전재의 기능을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 생각했다"며 "이를 바탕으로 새로운 형태의 도전재인 '중공 나노탄소'를 개발했다"고 밝혔다. 기존의 비정질 탄소를 섭씨 2400도의 고온 열처리 공정을 통해 작용기가 존재하지 않고 전도성이 높은 결정성 중공 탄소로 바꿔 준 것이다. 결과적으로 계면에서의 부반응이 줄어 절연성 물질의 형성이 감소했다.
이 기술을 전지에 적용하면 기존 비정질 탄소 대비 2.5배로 향상된 전기전도성을 낼 수 있어 전지 성능을 대폭 높일 수 있다는 게 연구진의 설명이다. 김병곤 전기연 연구원은 "현재 원천 기술에 대한 특허 출원을 완료한 상태"라며 "향후에는 전고체전지용 도전재를 손쉽고 값싸게 대량으로 생산할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.
[송경은 기자]