한국에너지기술연구원 울산차세대전지연구개발센터 김진수 박사, 울산과학기술원 정성균 교수 연구팀이 고에너지밀도 전고체전지를 구현하기 위한 설계 방법론과 범용설계 툴킷을 공동개발하고 성능검증까지 완료, 기준점 없이 연구되어 온 전고체전지 설계 패러다임의 변화를 예고했다.

전고체전지는 리튬이온전지의 단점으로 지적되고 있는 인화성의 액체 전해질 대신 비인화성의 고체 전해질을 활용해 화재의 위험에서 안전한 이차전지로 효율적인 셀과 시스템 구조 설계를 통해 에너지밀도까지 크게 높일 수 있다는 점에서 널리 연구되고 있는 분야다.

최근까지 전고체전지와 관련한 기초연구가 진행되며 실험실 수준의 성과가 다수 창출됐지만 전지의 전극과 셀을 설계하기 위한 과학적인 가이드라인이 없어 주로 연구자의 경험에 의존해 소재를 조합하고 설계 인자를 제어하는 비효율적인 연구가 이루어지고 있는 상황이다.

이를 해결하기 위해 연구진은 전극의 설계 조건을 균형 임계값, 투과 임계값, 부하 임계값으로 정의하고 이를 통해 세계 최초로 전고체전지를 설계하는 범용적 방법론을 제시했다.

연구진이 제시한 방법론을 기반으로 제작된 파우치형 셀은 사용 리튬전지를 뛰어넘는 에너지밀도를 나타내 공인시험기관의 인증을 획득했다.

이밖에도 연구진은 개발된 설계 방법론을 누구나 쉽게 사용할 수 있도록 전고체전지 설계 툴킷 ‘SolidXCell’을 개발했다.

‘SolidXcell’은 다중 스케일과 다중 인자 기반의 복잡한 전고체전지 설계를 직관적이고 체계적으로 설계할 수 있는 디자인 플랫폼으로 일반 연구자들이 전고체전지 설계에 활용할 수 있도록 논문의 보충자료도 무상 배포 중이다.

이번 연구를 공동으로 주도한 김진수 박사와 정성균 교수는 “전고체전지 범용 설계 방법론을 최초로 제시한 점, 실증셀 성능검증을 거친 설계 툴킷을 개발해 공유하는 것은 전고체전지 설계 분야에 큰 도움이 될 것”이라며, “많은 연구자가 전고체전지의 효율적인 설계를 통해 유의미한 성능 향상을 촉진하며 현재의 기술 장벽을 뛰어넘을 수 있기를 기대한다,”고 밝혔다.