고려대·KETI, 전고체 배터리 수명 저하 메커니즘 규명

유동주 기계공학부 교수, 공동 연구 성과
연구 결과는 세계적 권위지 ‘Joule’ 게재

[이데일리 신하영 기자] 고려대와 한국전자기술연구원(KETI) 연구팀이 전고체 배터리의 수명을 저하시키는 메커니즘을 규명했다.

고려대 기계공학부 유동주 교수(교신저자), KETI 차세대전지연구센터 조우석 수석연구원(공동 교신저자), KETI 차세대전지연구센터 최승호 선임연구원(공동 교신저자) ※사진 제공=고려대

고려대는 기계공학부 유동주 기계공학부 교수 연구팀이 조우석 KETI 수석 연구팀과 공동 연구에서 이러한 성과를 얻었다고 11일 밝혔다.

전고체 배터리는 고체 형태의 전해질을 사용, 리튬 이온 전지에서 발생하는 화재·열폭주 문제를 해결할 것으로 기대되는 차세대 배터리다. 더욱이 높은 에너지밀도와 넓은 작동 온도를 보유해 에너지 저장 시스템 분야에서도 게임 체인저로 인식되고 있다.

전고체 배터리의 성능은 양극 활물질과 고체 전해질의 물리적 접촉에 큰 영향을 받는다. 기존 액체 전해질이 전극 내부의 작은 틈에 쉽게 침투하는 것과는 달라서다. 고체 전해질과 양극 활물질 간의 불완전한 접촉은 전지의 수명을 급격하게 저하시키는 원인으로 간주됐다. 그러나 성능 열화에 대한 명확한 메커니즘은 그간 규명되지 못했다.

연구팀은 세계 최초로 전기화학·기계 연성 모델을 활용해 양극 활물질과 고체 전해질 사이의 접촉 면적과 균일성이 전지 성능을 열화시키는 메커니즘을 구체적으로 밝혀냈다. 특히 충전 시 양극 활물질의 국부적인 수축이 전극 내 기계적 박리를 가속화한다는 사실을 실험을 통해 입증했다.

연구팀이 개발한 양극이 적용된 전고체 배터리는 5C 전류밀도에서 95% 이상 충전이 가능했다. 또한 500 사이클 이후에도 초기 성능의 87.1 %가 유지되는 것으로 나타났다.

이번 연구는 한국연구재단 원천기술국제협력개발사업 등의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 세계적 권위의 국제학술지 ‘Joule’ 7월 10일 자로 게재됐다.

유동주 교수는 “고체 전해질과 양극 활물질 간 물리적인 접촉의 중요성을 전지 성능과 모델링 기술을 통해 체계적으로 입증했다”며 “이는 고에너지 양극을 사용하는 고성능-장수명 전고체 전지 전극 설계에 직접적으로 활용될 수 있을 것”이라고 기대했다.

신하영 (shy1101@edaily.co.kr)