차세대 `전고체 전지` 열화 원인은 황… KIST, 상용화 실마리 찾았다

KIST, 열화 요인 규명..양극소재 균열도 수명 낮춰
활성이온 고갈로 용량 감소..저압 환경 구동 가능성

KIST는 전고체 전지 구동 시 급격한 용량 저하와 수명 단축을 유발하는 열화 요인을 새롭게 규명했다. KIST 제공

리튬이온전지를 대체할 차세대 전지로 각광받는 '전고체 전지'의 열화 요인이 규명돼 상용화에 한 발 다가서게 됐다. 저압 환경에서 전고체 전지를 안정적으로 구동할 수 있는 기술 개발로 이어질 것으로 기대된다.

한국과학기술연구원(KIST) 정훈기 박사 연구팀은 전고체 전지의 구동 시 급격한 용량 저하와 수명 단축을 유발하는 열화 요인을 새롭게 규명했다고 12일 밝혔다.

전고체 전지는 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지와 달리 전해질과 양극, 음극 등 모든 구성요소가 고체여서 폭발 위험성이 낮아 배터리 제조업체 간 상용화 경쟁이 치열하다. 하지만 충방전을 반복하는 동안 양극과 음극 부피가 변하면서 두 물질이 고체 전해질과 만나는 지점인 계면이 탈착되는 계면 열화가 발생해 전지 수명을 떨어 뜨린다. 이를 위해 외부 장치를 이용해 높은 압력을 유지하고 있으나, 전지 무게와 부피를 늘려 에너지 밀도를 낮추는 데 한계가 있다.

연구팀은 동전형 리튬이온전지와 비슷한 0.3메가파스칼(MPa) 수준의 저압 환경에서 황화물계 고체 전해질을 적용한 동전형 전고체 전지를 50회 충방전을 반복한 결과, NCM(니켈·코발트·망간) 양극층의 부피가 2배 팽창됐고, 양극 소재와 고체 전해질 사이에 심한 균열이 생긴 것을 확인했다.

이를 통해 저압 구동에서 열화 원인이 계면 접촉 외에 양극 소재의 균열과 비가역적인 양극 상변화에 있다는 것을 밝혀냈다. 아울러, 충방전 반복 과정에서 고체 전해질의 분해 산물인 '황'이 양극 소재 내부의 균열 부분에 침투해 부도체 성질의 부산물인 '황화리튬'을 형성함으로써, 활성 리튬이온을 고갈시켜 전고체 전지 용량을 감소시키는 것을 확인했다.

정훈기 KIST 박사는 "저압 구동 환경에서 전고체 전지 성능의 저하 원인을 명확히 규명해 리튬이온전지보다 수명 저하 문제를 해결할 수 있는 실마리를 마련했다"며 "전고체 전지 상용화를 위해선 현재의 가압 환경이 아닌 무가압 또는 저압 환경에서 구동할 수 있는 새로운 양극과 음극 소재 개발이 필수적"이라고 말했다.

이 연구결과는 에너지 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈' 표지 논문에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr