포스텍, 유기 용매·저압 구동 버티는 고체전해질 표면 설계

포스텍(POSTECH)은 이상민 배터리공학과·신소재공학과 교수, 배터리공학과 통합과정 고수민 씨 연구팀과 박수진 화학과 교수, 화학과 통합과정 이형석 씨 연구팀이 유기 용매·저압 구동에 버티는 고체전해질 표면을 설계해 배터리 표면 분해 문제를 해결했다고 밝혔다.

왼쪽부터 박수진 교수, 이상민 교수, 통합과정 고수민·이형석 씨

전기차에 불이 나면 쉽게 꺼지지 않는 이유는 배터리 내부의 '액체 전해질' 때문이다. 전기를 전달하는 데 필수적이지만 불에 취약하다. 이를 고체로 바꾼 전고체전지는 화재 위험을 근본적으로 줄일 수 있어 차세대 배터리로 주목받고 있다. 특히 황화물계 고체전해질은 리튬이온 이동이 빠르고 전극과 잘 밀착돼 가장 유력한 후보로 꼽혀왔다.

문제는 만들기가 너무 어렵다는 것이다. 황화물계 고체전해질로 배터리를 만드는 과정에서 사용하는 유기용매나 공기 중의 미량 수분만으로도 표면이 쉽게 분해됐기 때문이다. 마치 모래성이 물에 닿으면 무너지듯, 배터리를 완성하기도 전에 성능이 떨어졌다. 여기에 실제 구동 환경인 낮은 압력에서는 전극 내부 접촉이 점차 느슨해지며 성능 저하가 가속됐다. 재료는 뛰어나지만 제조 공정과 실제 작동 환경을 동시에 만족시키기 어려웠다.

연구팀은 이 문제를 '초박막 보호막'이라는 단순한 아이디어로 해결했다. 대표적인 황화물계 고체전해질인 LPSCl 표면에 플루오로카본(-CF₃) 말단을 가진 '자가조립 단분자층'을 형성해 두께는 약 1㎚(나노미터) 수준의 보호막을 만들었다. 이 막은 유기용매와 수분을 효과적으로 차단하면서 이와 동시에 전해질 내부 구조와 리튬이온 전도 성능은 그대로 유지되도록 설계됐다.

양극고체전해질 설계를 통한 저가압, 고율속 구동에 대한 모식도

이 보호막은 전기화학적 안정성도 크게 높였다. 분석 결과, 1.0C(C-rate)의 빠른 충·방전 조건에서 배터리가 안정적으로 오래 작동했다. 코인 셀 수준의 낮은 압력(0.3MPa)에서도 전극 내부 접촉 손실을 효과적으로 줄이며 성능을 유지했다. 무엇보다 완전한 배터리 셀 실험에서 300번의 충·방전을 반복한 뒤에도 초기 용량의 90.5%를 유지했다. 에너지밀도와 장수명을 동시에 확보해야 하는 전고체전지 상용화의 핵심 기준을 충족한 결과다.

이번 성과는 전기차와 에너지 저장 장치의 안전성과 수명을 동시에 끌어올리는 핵심 기술로 이어질 전망이다. 전고체전지 상용화를 앞당길 발판이 마련됐다는 평가다.

이상민 교수는 “고체전해질 표면 안정화가 전극 제작부터 실제 구동까지 이어지는 계면 안정성을 확보해 전고체전지 공정 신뢰성과 저압 구동 내구성을 높일 수 있음을 확인했다”라고 연구 의의를 전했다. 또, 박수진 교수는 “자가조립 단분자층 기반 표면처리는 공정이 단순하고 대량 생산이 가능해 대면적 전극 제조로 확장할 수 있다”라고 덧붙였다.

한편, 산업통상부 기술혁신사업, 과학기술정보통신부 지역혁신 메가프로젝트사업과 산업혁신인재 성장지원(R&D) 사업 지원으로 수행된 이번 연구는 최근 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 표지 논문(cover)으로 게재됐다.

포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com