`꿈의 배터리` 전고체 전지 `전기적 단락` 원인 찾았다

원자력연, 고체전해질 결정구조 변화 원인 규명
직육면체로 변해 리튬이온 방해해 전기 단락 초래

한국원자력연구원 연구진이 전고체 배터리 전해질 결정구조 변화의 원인을 규명하고 이를 제어하는 방법을 제시했다. 사진은 연구원이 관련 연구장비를 조작하는 모습. 원자력연 제공.

홍석재(왼쪽부터) 원자력연 학연학생(제1저자), 김형섭 원자력연 책임연구원, 정성균 UNIST 교수.

화재와 폭발 위험이 없어 '꿈의 배터리'로 불리는 전고체 전지에 순간적으로 많은 전류가 흘러 폭발로 이어질 수 있는 '전기적 단락(쇼트)' 원인을 국내 연구진이 밝혀냈다. 한국원자력연구원은 김형섭 박사 연구팀이 전고체 배터리 전해질의 결정구조가 변하는 원인과 이를 제어하는 방법을 제시했다고 16일 밝혔다.

전고체 배터리는 양극과 음극, 리튬이온이 이동하는 고체 전해질 등으로 구성된다. 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용해 온도 변화에 따른 폭발·화재 위험이 없어 차세대 배터리로 주목받는다. 하지만 고체 전해질 표면의 결정 구조가 변하면 양극과 고체 전해질 접촉면에 전류가 고르지 않게 흘러 과전류가 흐르는 전기적 단락이 발생한다. 그동안 리튬의 양과 전해질 표면의 연마 정도가 고체 전해질의 결정구조 변화 원인으로 추정돼 왔으나, 두 원인의 상관 관계가 정확히 알려지지 않았다.

연구팀은 리튬과 같은 가벼운 원소 분석에 유용한 중성자 빔으로 고체 전해질 결정구조 내부의 리튬의 양과 X-선을 통해 고체 전해질 표면의 연마 정도에 따른 결정구조 변화량을 각각 정량화했다. 이 과정에서 고체 전해질 합성에 사용한 리튬양과 연마 정도에 따라 고체 전해질 표면 결정구조 일부가 정육면체에서 직육면체로 변화하는 현상을 발견했다. 결정구조가 직육면체로 변한 고체 전해질은 이온 전도성이 낮아 음극, 양극과의 저항을 증가시켜 리튬 이온의 원활한 이동을 방해하고 결국 전기적 단락을 일으키는 것으로 확인했다. 연구팀은 고체 전해질 표면을 연마하는 과정에서 연마재 회전 속도를 특정 정도로 획기적으로 낮추면 결정구조가 안정적으로 제어돼 전기적 단락을 예방할 수 있는 개선 공정도 개발했다.

김형섭 원자력연 책임연구원은 "전고체 배터리 단락의 원인 규명과 이를 제어하는 기술을 확보함에 따라 배터리 화재·폭발 방지를 위한 가이드라인을 제시할 수 있을 것"이라고 말했다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr