폭발 위험 없는 전고체 배터리 핵심 설계전략 찾았다

에피텍셜 성장한LiNi0.5Mn1.5O4(LNMO) 박막 기반 전고체전지 모식도와 사진/사진=KIST

전고체 전지는 기존 리튬 배터리의 불안정성과 낮은 용량을 동시에 해결할 수 있는 차세대 배터리이다. 양극과 전해질이 모두 불연성 고체라 온도 변화나 외부 충격에 따른 화재나 폭발 위험이 낮지만, 에너지 밀도는 리튬배터리의 2배에 달해 전기차와 에너지저장장치 시장의 게임체인저가 될 것으로 기대를 모으고 있다. 이런 장점에도 불구하고 고체전해질의 낮은 이온전도도와 높은 계면 저항·열화가 전지의 성능과 수명을 떨어뜨려 상용화의 기술적 난관이 되고 있다.

한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구단 박상백 박사 연구팀, 성균관대 신현정 교수 연구팀과으로 이뤄진 공동연구팀이 전고체 배터리 상용화의 걸림돌인 고체전해질과 양극 사이의 계면 저항이 증가하는 문제를 막을 수 있는 소재 설계전략을 개발했다고 29일 밝혔다.


서로 다른 두 물질이 만나는 계면에서는 독특한 물리적 현상이 발생한다. 물질 내부의 원자들이 주변의 다른 원자들과 손을 맞잡고 안정적인 결합을 하는 것과 달리 바깥쪽의 원자는 한쪽이 비어 있어서 계면의 원자들은 내부와 다른 원자 배열을 할 가능성이 크기 때문이다.

고체 전극-고체 전해질의 계면을 갖는 전고체 배터리의 경우, 제한적인 전하이동과 함께 원자 배열이 흐트러지는 현상이 발생해 저항과 열화를 일으킨다.

이를 해결하기 위해 현재 주로 연구되고 있는 방법은 양극과 전해질 표면에 다른 소재를 코팅하거나 중간 층을 삽입하는 방법이다. 하지만 이는 추가적인 비용 상승과 함께 전지 전체의 활성과 에너지밀도 저하를 야기하고 있다.


연구진은 이런 문제를 해결하기 위해 먼저 고체 계면에 직접적인 영향을 미치는 소재의 결정구조부터 체계적으로 확인했다.

기판의 결정이 형성돼 있는 방향을 따라 박막을 성장시키는 반도체 제조 기술(에피택셜 박막 기술)을 이용해 입자의 노출된 결정 표면(노출결정면)이 다른 여러 조건의 양극 박막을 확보하고, 결과에 영향을 미칠 수 있는 입자크기, 접촉면적 등의 다른 요소들을 배제해 노출결정면이 고체전해질과 양극 소재 계면에 미치는 영향을 세밀하게 분석했다.

그 결과 원자 내의 결정 표면이 빽빽하게 구성된 경우에 양극 소재 내에 있어야 하는 전이 금속이 전해질로 새어 나가는 현상이 억제돼 전고체 전지의 안정성을 개선할 수 있음을 확인했다.

또 결정들의 경계면이 전자의 이동 방향과 평행하게 배열된 경우 결정을 따라 이동하는 이온과 전자가 이동에 방해를 받지 않아 저항이 줄고 출력은 높아지는 특성을 확인했다.

박 박사는 “결정 표면의 밀집도를 높이고, 결정들의 경계면의 방향을 조절하면 양극 소재 자체 개선으로 높은 성능과 안정성을 확보할 수 있음을 의미한다”며 “전고체 전지 성능 저하의 메커니즘을 규명한 이번 연구를 바탕으로 향후 고체전해질과 양극 고체 계면의 불안정성을 극복하고 높은 이온-전하 교환 특성을 제공하는 전고체 전지 소재 개발에 더욱 박차를 가할 계획”이라고 말했다. 이번 연구성과는 에너지 나노 분야 국제학술지인 ‘나노에너지’ 최신호에 게재됐다.