전고체전지 상용화 핵심 '저압 구동' 원리 찾았다

KIST

연구팀의 연구 결과가 표지논문으로 선정된 국제 학술지 '어드밴스트 에너지 머티리얼즈'. KIST 제공

국내 연구진이 전고체 전지의 열화 요인을 규명하는 데 성공했다. 전고체 전지의 안전성과 수명을 향상시키는 데 도움이 될 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST)은 정훈기 에너지저장연구센터 박사 연구팀이 전고체 전지 구동 시 급격한 용량 저하와 수명 단축을 유발하는 열화 요인을 규명해 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈'에 지난 10월 27일 게재, 표지논문으로 선정됐다고 12일 밝혔다.  

'꿈의 배터리'라고도 불리는 전고체 전지는 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지 등과 달리 전해질, 양극, 음극 등 모든 구성 요소에 고체를 사용한다. 이를 통해 2차 전지 상용화의 큰 걸림돌이었던 폭발 위험성을 대폭 낮췄다.

다만 전고체 전지는 안정적인 구동을 위해 수십 메가파스칼(MPa)에 이르는 고압력이 필요하다. 이 압력을 유지하기 위해 사용되는 외부 장치는 전지의 에너지 밀도와 용량 등 성능을 낮추기 때문에 이를 극복하는 기술이 전고체 전지 상용화를 위한 핵심 관문으로 여겨졌다.

연구팀은 양극의 외부가 아닌 내부에서도 열화가 발생할 수 있음을 처음으로 확인했다. 이를 통해 저압 환경에서도 전고체 전지가 안정적으로 구동될 가능성이 있다고 설명했다. 

우선 동전형 리튬이온전지와 비슷한 0.3MPa 수준의 저압 환경에서 황화물계 고체 전해질을 적용한 동전형 전고체 전지를 반복적으로 충·방전했다. 50회를 반복한 결과 NCM(니켈-코발트-망간) 양극층의 부피가 2배 팽창했다. 단면 이미지를 분석하자 양극 소재와 고체 전해질 사이에 심한 균열이 발생했음을 확인할 수 있었다.  

이를 통해 연구팀은 저압 환경에서 발생하는 열화의 원인이 계면 접촉 뿐만 아니라 양극 소재의 균열과 양극 상변화에 있음을 확인했다. 양극 상변화는 전지의 양극, 음극, 또는 전해질의 물리적·화학적 상태가 변화하는 현상을 말한다. 

또 충·방전을 반복하는 과정에서 고체 전해질의 분해 산물인 '황'이 균열이 발생한 부분에 침투해 황화리튬을 형성했으며, 그 결과 활성 리튬이온이 고갈되고 양극 상변화가 촉진돼 전고체 전지의 용량을 감소시킴을 확인했다.

연구팀은 이번 분석을 통해 "저압 구동 환경에서 전고체 전지 성능 저하의 원인을 명확히 규명해 리튬이온전지 대비 수명 특성이 저하되는 문제를 해결할 수 있는 실마리를 찾게 됐다"고 밝혔다. 해결 방안을 찾을 경우 전고체 전지 생산 비용 상승의 주원인이였던 외부 보조장치를 제거, 가격 경쟁력을 높일 수 있을 것으로 전망된다.

정훈기 에너지저장연구센터 책임연구원은 "전고체 전지의 상용화를 위해서는 현재의 가압 환경이 아닌 무가압 또는 저압 환경에서 구동할 수 있는 새로운 양극 및 음극 소재의 개발이 필수적"이라며, "저압 구동형 전고체 전지를 전기자동차 등에 적용 시 기존의 리튬이온전지 제조시설을 최대한 활용할 수 있어 큰 도움이 될 것"이라고 설명했다. 

[박건희 기자 wissen@donga.com]