포스텍·KAIST, 고분자 물질과 황화물 고체 전해질 간 상호작용 규명

포스텍(POSTECH)은 박수진 화학과 교수·조성진 박사·박사과정 송영진 씨 연구팀이 임성갑 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수팀과 공동연구를 통해 황화물계 전고체 배터리에서 음극을 안전하게 구동시킬 수 있는 고분자 보호막을 개발했다고 27일 밝혔다.

전기자동차의 경쟁력은 주행거리와 충전 속도에 달려 있다. 이 두 가지 요소 모두 배터리 성능에 직접적으로 영향을 미친다. 전기자동차의 안정성도 중요한 요소다. 하지만 현재 상용화된 리튬(Li) 이온 배터리는 액체 전해질과 고분자 분리막을 포함해 온도 변화와 외부 충격에 취약하다는 단점이 있다.

황화물계 전고체 배터리에서 음극을 안전하게 구동시킬 수 있는 고분자 보호막을 개발한 연구팀. 왼쪽부터 박수진 교수, 조성진 박사, 박사과정 송영진 씨.

이를 보완하기 위해 최근 액체 전해질과 고분자 분리막 역할을 동시에 할 수 있는 고체 전해질 기반 전고체 배터리가 떠오르고 있다. 황화물계 고체 전해질은 이온 전도성(2.5x10-2S/cm)이 높고, 이를 활용한 배터리 조립 공정도 매우 간단하다. 하지만 전극 활물질과 전해질이 직접 맞닿은 계면이 화학·전기화학적으로 불안정해 배터리 내부 저항을 높이고, 성능을 떨어뜨리는 문제가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 배터리 내 음극과 전해질 간 직접적인 접촉을 막아줄 수 있는 고분자 물질을 도입했다. 화학적 기상 증착(iCVD) 공정을 통해 서로 다른 극성을 가진 여덟 가지 고분자 물질로 100㎚(나노미터) 두께 균일한 음극 코팅막을 만들었다.

코팅된 고분자를 사용한 음극-전해질 계면 형성 과정 및 황화물계 전고체 배터리 설계 과정 이미지.

연구팀은 음극 코팅용 고분자 박막 8종을 사용해 계면 안정성과 배터리 성능을 평가했다. 그 결과 전고체 배터리 음극과 전해질 사이의 계면 안정성을 효과적으로 높일 수 있는 고분자로 만든 박막을 개발했다. 또 이를 적용한 전고체 배터리는 100회 이상 작동한 후에도 높은 용량 유지율을 기록했다. 이는 음극이 코팅되지 않은 기존 전고체 배터리 용량 유지율이 29%였던 것에 비해 매우 향상된 결과다.

현재까지 황화물계 전고체 배터리 분야에서 이러한 고분자 물질에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았는데, 고분자 물질과 황화물 고체 전해질 간 상호작용을 밝혀냈다는 점에서 의미가 있다.

박수진 교수는 “황화물계 전고체 배터리의 장기 안정성을 높일 수 있다는 새로운 가능성을 보였다”며 “이번 연구가 차세대 배터리 기술인 황화물 전고체 배터리 연구의 획기적인 전환점이 될 것”이라고 말했다.

산업통상자원부 한국산업기술평가관리원 사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 국제 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈' 온라인판에 게재됐다.

포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com