이와 달리 전고체 배터리는 전해질이 액체가 아닌 고체 상태로 이뤄져 있다. 고체 전해질은 가연성이 있는 액체 전해질보다 화재의 위험성이 적다. 

고체 전해질은 전극 안에서 리튬이온이 원활하게 이동하도록 도와준다. 하지만 배터리 내 고체 전해질 구성비가 늘어나면 상대적으로 에너지 밀도가 줄어드는 문제점이 있다.

ETRI(한국전자통신연구원·원장 김명준) 연구진은 고체 전해질 없이 활물질과 바인더로만 구성된 전지 구조를 개발해냈다고 13일 밝혔다. 활물질은 에너지 저장, 바인더는 배터리 구성품을 물리·화학적으로 잡아주는 역할을 한다.

연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 이황화티타늄(TiS₂) 입자들로 하여금 리튬이온이 원활하게 확산하는 것을 확인했다. 고체 전해질이 없는 양극 구조로도 전고체 이차전지 성능을 구현할 수 있음을 보인 셈이다.

연구진은 고체 전해질 없이 TiS₂에 압력을 줘서 활물질 내 입자 간 빈틈을 없앴다. 그만큼 같은 용량에 고체 전해질을 사용하지 않은 만큼 활물질 함량을 늘릴 수 있다는 것이다. 연구 결과 기존 배터리 대비 에너지밀도를 1.3배 이상 높인 점도 확인했다.

배터리 내 구성요소가 단순해진 만큼 용매와 바인더 선택이 자유로워졌다. 여기에 기존 리튬이온전지의 극판 제조공정을 그대로 활용해 전고체 이차전지 성능 및 가격경쟁력 향상에 크게 이바지할 수 있다.

연구진은 "활물질 형태에 따른 입자 간 이온의 움직임을 분석한 후 공 모양의 TiS₂ 나노 입자를 활용해 리튬 이온을 효율적으로 저장했다"면서 이러한 연구 결과를 바탕으로 고성능 전고체 이차전지를 만드는 데 기여할 것으로 예상한다고 말했다.

ETRI는 본 성과를 바탕으로 전고체 전지 관련 후속 연구를 진행할 예정이다. 또 전지 구조를 종합해 출력 특성을 개선할 수 있는 연구도 병행할 계획이다.

이영기 박사는 "음극과 양극 모두에서 활물질만으로 이온을 확산할 수 있다는 것을 최초로 확인했다"며  "본 기술을 근간으로 에너지밀도를 더욱 향상할 핵심 원천 기술을 확보하고 상용화에 이바지하겠다"고 말했다.

이번 연구는 ETRI가 주관해 DGIST 이용민 교수팀과 공동 연구가 이뤄졌다. 논문 1저자는 ETRI 김주영 박사와 DGIST 박주남 박사이다. 과학기술정보통신부 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업 및 ETRI 기본사업(ICT 소재·부품·장비 자립 및 도전기술개발) 지원으로 수행되었다.