화학연, 전고체배터리 '내부 균열' 막는 탄성 고분자 완충재 개발

전극 수축·팽창 스트레스 흡수해 수명 3배 향상
압력 장치 줄여 경제성 확보 기대

연구팀이만든 황화물 전고체전지 파우치 셀과 고탄성이온전도 소재. 사진=화학연 제공

[충청투데이 조정민 기자] 전기차 시장의 차세대 배터리로 꼽히는 '황화물계 전고체배터리'의 치명적인 약점인 내부 균열 문제를 국내 연구진이 고무처럼 늘어나는 탄성 소재로 해결의 실마리를 찾았다.

기존 전고체배터리의 균역을 막으려고 무거운 압력 장치를 달아야 했던 물리적 한계를 정밀 화학 소재 기술로 해결하면서 상용화를 위한 경제성과 효율성을 동시에 끌어올릴 수 있는 발판이 마련됐다.

28일 한국화학연구원에 따르면 김동욱 박사팀이 연세대 황성주 교수, 성균관대 박호석 교수 연구팀과 공동으로 '탄성 이온전도성 고분자' 기술을 적용해 전고체전지 수명을 높이는 기술을 개발했다.

현재 글로벌 배터리 기업들이 전고체전지 개발에서 가장 주목하는 소재는 황화물이다.

액체 전해질 수준으로 이온전도도가 높아 급속 충전과 고출력이 가능하기 때문이다.

그러나 단단한 고체 전해질과 전극이 맞닿아 있는 구조 특성상, 충·방전이 반복되면 전극의 부피 변화를 이기지 못하고 내부에 틈이 벌어지는 계면 박리 현상 탓에 성능과 수명이 급격히 감소했다.

탄성 이온전도 고분자 소재를활용한 황화물 전해질 개선 모식도. 사진=화학연 제공

미세한 균열은 이온 이동을 막아 배터리 수명을 급감시켰고, 이를 억제하기 위해 수십 MPa에 달하는 고압 유지 장치를 외부에 장착해야만 했다. 결국 배터리 팩의 무게와 제조 비용을 높이는 원인이었다.

연구팀은 황화물 전해질 내부 미세한 빈 공간에 액체 상태의 전구체를 주입하고, 그물망 구조로 경화시키는 공정을 고안했다.

전해질 속에 자리 잡은 탄성 고분자는 마치 건물의 내진 구조물처럼 전극이 수축·팽창할 때 생기는 기계적 스트레스를 흡수하는 완충재 역할을 한다.

동시에 리튬 이온이 지나갈 수 있는 추가 경로를 열어줘 전지 내부 이온 전도 성능도 안정적으로 유지시킨다.

소재 개선의 효과는 수치로 증명됐다. 리튬 도금·제거 반복 실험에서 탄성 고분자를 적용한 전지는 2500시간 이상 안정적으로 구동했다.

고속 충·방전 조건에서 200회 이상 작동시킨 후에도 초기 용량의 75%를 유지해 미적용 전지(22%)와 비교해 수명 유지율이 3배 이상 향상된 결과물을 보였다.

이번 기술은 배터리 구동에 필요한 외부 압력 조건을 완화할 수 있다는 점에서 산업적 의미가 크다.

낮은 압력에서도 전극과 전해질의 밀착성이 유지돼 향후 전기차 탑재 시 배터리 팩 구조를 단순화하고 제조 단가를 낮추는 데 직접적인 기여를 할 것으로 예상된다.

연구팀은 향후 대면적 전지 검증 및 파일럿 생산 테스트를 거쳐 글로벌 완성차와 배터리 기업들의 전고체전지 로드맵에 맞춰 2030년대 초반 실용화를 목표로 후속 연구를 이어갈 계획이다.

조정민 기자 jeongmin@cctoday.co.kr