UNIST "유기물 코팅으로 전고체전지 안정성 향상"

[울산=뉴시스] 안정섭 기자 = 울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 정성균 교수팀이 황화물계 고체 전해질을 기반으로 전고체전지 양극의 계면 안정성을 위한 유기물 코팅 소재를 개발했다고 11일 밝혔다.

정성균 교수팀에 따르면 황화물계 고체 전해질은 액체 전해질처럼 높은 이온 전도도와 기계적 변형성, 낮은 중량 밀도를 가져 전고체전지 산업 응용 분야에서 특히 유망한 소재다.

하지만 양극 계면에서 필요한 반응 이외의 반응이 고질적으로 나타나는 문제점을 가진다.

절연체의 성질이 나빠지는 열화 반응이나 충·방전 과정에서 발생하는 부피 변화로 고체 전해질 사이의 기계적 접촉 손실 등의 문제가 발생하는 것이다.

따라서 전극-전해질 계면의 화학·물리적 상태를 온전히 유지하는 것은 긴 수명을 가지는 전고체전지를 구현하는 데 있어 가장 큰 과제 중 하나다.

이를 해결하기 위해 산화물계 기반의 무기물 코팅 소재가 주로 사용됐다.

그러나 기존의 산화물계 코팅 소재는 부서지기 쉽고 고온에서 제조해야 한다는 한계점이 있다.

정 연구팀은 황화물 기반 전고체전지의 화학 및 기계적 열화를 완화하기 위한 연구를 진행했다.

양극-고체 전해질의 계면을 인공적으로 보호하기 위해 유기 전해질 첨가제를 코팅 소재로 도입했다.

기존 리튬이온 전지에서 액체 전해질의 유기물 첨가제로 사용되던 이플루오로비스(옥살레이토) 인산염을 활용했다.

이를 활용한 양극-고체 전해질 계면층은 기존 산화물계 코팅층에 비해 상온에서도 코팅층을 형성할 수 있다는 장점을 가지게 된다.

또한 연구팀은 유기물 기반의 양극-고체 전해질 계면층이 고전압으로 충전될 때 발생되는 화학적 열화 속도를 늦추며 낮은 구동 압력에서도 기계적 열화를 완화하는 데 도움을 준다는 것을 확인했다.

이를 통해 계면에서의 황산염 또는 황화염의 생성을 억제하는 등 화학적 안정성을 가지게 된다.

개선된 양극-고체 전해질 사이의 물리적 접촉은 전고체전지가 높은 용량을 구현하는데 도움을 주며 장기간으로 구동시킬 수 있도록 안정성을 높혀 수명이 긴 전고체전지 제작 가능성을 보여줬다.

이어 연구팀은 이번 연구를 확장시켜 황화물 기반 전고체전지의 양극 계면 열화 반응에 대한 심층적인 분석을 진행했다.

이를 통해 화학·물리적 열화간의 상관관계와 열화의 발생 원인을 규명했다.

이번 연구가 일반적으로 사용되는 무기 산화물 물질을 넘어 황화물 기반 전고체전지의 양극 코팅 물질을 설계하는 새로운 방법을 제시할 것으로 연구팀은 기대하고 있다.

정성균 교수는 "이번 연구는 기존 전고체전지에서 고려되지 않았던 유기물 코팅 소재에 대한 탐색 가능성과 확장성을 제시했다"며 "이와 함께 전고체전지의 열화 거동에 대한 심층적인 이해도 제공한다"고 전했다.

이번 연구는 한국연구재단 산업통상자원부 기술혁신 프로그램, 과학기술정보통신부·한국연구재단 신진 연구사업, 국가과학기술연구회, 이차전지 전해질 생산업체인 ㈜천보의 지원으로 진행됐다.

연구 내용은 에너지 소재 분야 권위적 국제 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티어리얼스(Advanced Energy Materials)'에 지난달 9일자로 게재됐다.

☞공감언론 뉴시스 yohan@newsis.com

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