[쿠키과학] 전고체전지 최대 난제 ‘내부 균열’ 해결… 화학연, 상용화 핵심 소재 개발

한국화학연구원(이하 화학연)이 황화물 전고체전지의 가장 큰 난제인 내부 균열 문제를 해결하는 소재 기술을 개발했다.

이 기술은 고무처럼 늘어나는 탄성 이온전도성 고분자를 전해질 내부에 적용해 충·방전을 반복해도 성능 저하를 크게 줄임으로써 전고체전지 전기차 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

화학연 김동욱 박사팀은 연세대 황성주 교수팀, 성균관대 박호석 교수팀과 공동으로 황화물 전고체전지 내부에 탄성 이온전도성 고분자(E-ICP)를 형성해 균열과 계면 손상을 억제하는 기술을 개발했다.

전고체전지는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용해 화재와 누액 위험을 크게 낮춘 차세대 배터리다.

특히 황화물 고체전해질은 액체 전해질에 가까운 높은 리튬 이온전도도를 갖춰 급속충전과 고출력 구현에 유리해 글로벌 배터리 기업들이 상용화를 추진하고 있다.

하지만 황화물 전고체전지는 단단한 전극과 고체 전해질이 맞닿아 있는 구조여서 충·방전을 반복할수록 전극이 팽창하고 수축한다.

이 과정에서 내부에 미세한 균열이 생기고 전극과 전해질 사이가 벌어지면 리튬 이온이 제대로 이동하지 못해 배터리 수명이 급격히 짧아진다.

이를 막기 위해서는 수십 메가파스칼(MPa)에 이르는 높은 압력을 계속 유지해야 해 배터리 구조가 복잡해지고 제조 비용도 증가한다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 액체 상태 전구체를 황화물 전해질 내부에 주입한 뒤 그물망 형태의 탄성 고분자로 굳히는 방법을 적용했다.

이렇게 형성된 탄성 고분자는 전해질 입자 사이 빈 공간을 채우면서 고무처럼 늘어나는 성질로 충·방전 과정에서 발생하는 응력을 흡수한다.

건물에 설치하는 내진장치가 지진의 충격을 흡수해 건물이 무너지지 않도록 돕는 것처럼, 탄성 고분자는 전극이 팽창하거나 수축할 때 생기는 힘을 흡수해 전해질이 갈라지는 것을 막는다.

동시에 전해질과 전극이 계속 밀착된 상태를 유지하도록 돕는다.

연구팀은 탄성 고분자가 단순한 완충재 역할에 그치지 않는다는 점도 확인했다.

기존 고무 바인더는 이온 이동을 방해하거나 황화물 전해질과 화학 반응을 일으키는 문제가 있었지만, 이번 소재는 리튬 이온이 이동할 수 있는 추가 통로를 제공해 높은 이온전도도를 유지했다.

성능평가 결과 탄성 고분자를 적용한 전지는 충·방전 상황을 반복하는 리튬 도금·제거 시험에서 2500시간 이상 안정적으로 작동했다.

기존 황화물 전해질은 시간이 지날수록 전극과 전해질의 경계면 손상이 누적됐지만, 탄성 고분자를 적용한 전지는 계면을 안정적으로 유지했다.

고속 충·방전 시험에서도 200회 충·방전 후 용량 유지율은 기존 전지가 22%까지 떨어진 반면, 탄성 고분자를 적용한 전지는 75%를 유지해 수명을 3배 이상 개선했다.

특히 높은 외부 압력 없이 안정적으로 작동하는 것을 확인했다.

이는 향후 전고체전지에 필요한 압력 유지 장치를 단순화하거나 소형화할 가능성을 높이는 결과다.

아울러 배터리 무게를 줄이고 제조 공정을 단순화하는 효과도 기대할 수 있다.

연구팀은 향후 대면적 셀과 전기차 환경에서 성능과 내구성을 추가 검증하고 양산 공정 적용 가능성도 확인할 계획이다.

김 박사는 “이번 성과는 황화물 전고체전지 상용화의 가장 큰 걸림돌이었던 기계적 안정성 문제를 해결할 수 있는 기반 기술"이라며 “충·방전을 반복해도 전극과 전해질 사이의 접촉을 안정적으로 유지해 전지 수명과 신뢰성을 높이고, 향후 전기차용 전고체전지의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.‘

신석민 화학연 원장은 “이번 기술이 차세대 전기차와 에너지저장장치용 고안전성 배터리 개발에 활용되길 기대한다"고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 김주형 화학연·연세대 학생연구원, 배효원 화학연·성균관대 학생연구원이 공동 1저자로 수행했고, 연구결과는 국제학술지 ‘Energy Storage Materials’ 5월호에 게재됐다.
(논문명: Chemo-mechanical interfacial stabilization using elastic ion-conductive polymers in sulfide-based all-solid-state batteries)

이재형 기자 jh@kukinews.com