국내 연구진이 화재나 폭발 위험성이 적어 차세대 배터리로 연구되고 있는 전고체 전지(All Solid State Battery)에서 고체 전해질과 전극 간 경계면의 저항·열화 문제를 개선할 수 있는 실마리를 찾았다.

30일 한국과학기술연구원(KIST)은 에너지소재연구단 박상백 박사팀이 성균관대 신현정 교수팀과 함께 전해질과 양극이 모두 고체인 전고체 리튬이온전지에서 전해질과 양극 간 계면 저항 증가 문제를 막고 안정성을 높일 수 있는 전극 소재 설계 전략을 개발했다고 밝혔다.

현재 상용화돼 사용되는 리튬이온전지는 충전 용량을 늘리는 데 한계가 있고 액체 전해질로 인해 외부 충격 시 화재나 폭발 위험이 있다. 이런 문제를 동시에 해결할 방안으로 양극과 전해질이 모두 불연성 고체인 전고체 전지를 개발하려고 연구 중이다.

전고체 리튬이온전지는 에너지밀도가 기존 리튬이온전지의 2배에 달해 상용화되면 전기차와 에너지저장 장치(ESS)에 큰 변화를 가져올 것으로 기대된다.

하지만 고체전해질의 낮은 이온전도도와 전해질-양극 계면 저항·열화가 전지의 성능과 수명을 떨어뜨려 상용화에 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 양극과 전해질 표면에 다른 소재를 코팅하거나 중간층을 삽입하는 방법 등이 연구되고 있지만, 이 역시 추가 비용 상승과 전지 전체의 활성과 에너지밀도 저하 등의 문제가 있다.

연구팀은 전고체 배터리의 전극-전해질에서 양극 소재 계면의 결정 특성이 배터리 성능과 안정성에 미치는 영향을 정밀 분석해 특정 구조의 양극 소재(LNMO) 결정표면(노출결정면)이 계면 저항을 줄이고 안정성이 높인다는 사실을 밝혀냈다.

이들은 기판의 결정이 형성돼 있는 방향을 따라 박막을 성장시키는 반도체 제조기술(에피택셜 박막기술)을 이용해 입자의 노출결정면 구조가 다른 여러 양극 박막을 확보하고, 결과에 영향을 미칠 수 있는 입자크기, 접촉면적 등 다른 요소를 배제한 뒤 노출결정면이 고체 전해질-양극 계면에 미치는 영향을 분석했다.

그 결과 원자 내 결정표면이 빽빽하게 구성된 결정구조를 가진 LMNO(1,1,1)의 경우 양극 소재 내에 있어야 하는 전이금속이 전해질로 새어 나가는 현상이 억제돼 전지의 안정성이 높아지고 결정 경계면이 전자의 이동 방향과 평행하게 배열된 경우 결정을 따라 이동하는 이온과 전자가 방해를 받지 않아 저항이 줄고 출력은 높아지는 것으로 확인됐다.

박상백 박사는 "이 연구 결과는 결정 표면의 밀집도를 높이고 결정들의 경계면 방향을 조절하면 양극 소재 자체 개선으로 높은 성능과 안정성을 확보할 수 있음을 의미한다"며 "이 연구를 바탕으로 고체 전해질과 양극 계면의 불안정성을 극복하고 높은 이온-전하 교환 특성을 가진 전고체 전지 소재 개발에 더욱 박차를 가할 계획"이라고 말했다.

이 연구 결과는 에너지 나노분야 국제학술지 '나노 에너지'(Nano energy) 최신호에 게재됐다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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