전고체전지 보호막 기술 개발…1000회 충방전에도 효율 99.9%

전지 표면에 보호막을 형성해 불필요한 화학 반응을 억제할 새로운 기술이 개발됐다. 게티이미지뱅크 제공.

전기차·웨어러블·항공우주 등 차세대 산업의 핵심 전력원으로 꼽히는 전고체전지 배터리의 수명을 늘리고 화재 위험을 낮출 보호막 기술이 개발됐다. 1000회 이상 충·방전을 반복해도 효율이 99.9%를 유지해 차세대 배터리 상용화에 한 발 다가섰다.

광주과학기술원(GIST)은 김상륜 화학과 교수·조우석 한국전자기술연구원(KETI) 수석연구원팀이 일본 교토대와 공동 연구를 통해 전고체전지 내부 보호막을 형성하는 특수 이온의 원리를 규명했다고 11일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 사이언스'에 9일 게재됐다.

전고체전지는 배터리 안정성과 저장 성능을 높일 기술로 주목받는다. '아지로다이트 구조 고체전해질'은 리튬 이온이 배터리 안에서 빠르게 이동할 수 있어 성능이 우수한 차세대 소재다. 다만 충·방전 과정에서 리튬 금속과의 불필요한 화학반응으로 전지 표면에 나뭇가지 모양 결정체 '덴드라이트'가 생긴다는 문제가 있다. 덴트라이트는 배터리 성능을 떨어뜨리고 안정성을 낮추는 요인으로 작용한다.

연구팀은 수소를 많이 포함한 특수 이온 'BH4⁻'을 고체전해질에 도입해 반응을 확인했다. 그 결과 BH4⁻ 이온은 충·방전 초기 단계에서 리튬 금속과 먼저 반응해 표면에 얇고 안정적인 보호막을 형성했다. 보호막은 전해질과 리튬 금속이 맞닿으며 생기는 화학반응을 억제하고 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있도록 돕는다. 결과적으로 균일하고 안정적인 배터리 작동 제어가 가능해졌다.

연구팀은 'X선 광전자 분광법'과 '비행시간 이차이온 질량분석법'으로 배터리 충·방전 과정에서 전극과 전해질 사이 변화를 정밀 분석했다. 분석 결과 초기에는 일부 반응 생성물이 형성되지만 이후 BH4⁻가 리튬 금속과 반응하면서 리튬 이온이 원활한 이동을 돕는 보호막이 형성됨을 확인했다. 보호막을 통한 계면 안정화는 배터리 내부 열 발생을 줄여 화재 위험을 낮추는 데도 기여할 것으로 평가된다.

높은 전류 조건에서 1000회 충·방전을 반복해도 평균 충·방전 효율이 약 99.9%로 장기간 안정적인 작동이 가능함을 입증했다.

김상륜 교수는 "고 수소밀도 착음이온 BH4-가 전해질 계면에서 작동하는 원리를 규명하고 리튬 금속과 안정적으로 반응하는 새로운 계면 설계 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다"며 "차세대 전고체전지를 비롯한 다양한 에너지 전자소자 개발에 활용되기를 기대한다"고 말했다.

<참고 자료>
doi.org/10.1002/advs.75514

이상호(왼쪽부터) 석사과정생, 김상륜 교수. GIST 제공.

[조가현 기자,문혜원 인턴기자 gahyun@donga.com,moony@donga.com]