화학硏, 황화물 전고체전지 균열 문제 해결…전기차용 배터리시장 선점

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 고무처럼 늘어나는 탄성 이온전도 소재를 활용해 전고체전지의 수명과 안정성을 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다.

한국화학연구원은 김동욱 박사팀이 연세대 황성주·성균관대 박호석 교수팀과 공동으로 황화물 전고체전지 내부에 '탄성 이온전도성 고분자'를 넣어 충·방전과정에서 발생하는 균열과 계면손상을 줄이고 전지 수명을 향상시키는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

기존 리튬이온전지는 화재위험이 있는 액체전해질이 사용되는 반면 전고체전지는 견고한 고체전해질이 사용돼 안전하기 때문에 전기차 산업에서 유용하다.

이 중 황(S)을 기반으로 만든 전고체전지용 전해질인 황화물 고체전해질(LPSCl)은 액체전해질 수준의 높은 이온전도도를 가져 급속충전과 고출력 구현에 유리해 배터리 기업들이 주목하고 있으나 반복 충·방전 시 균열과 계면 불안정 문제가 발생할 수 있다.
 
이 균열은 전자 및 이온 이동을 차단해 급격히 수명을 단축시켜 높은 압력으로 눌러주는 결합 장치가 필요해 배터리 무게와 생산 비용이 늘어난다.

문제 해결을 위해 전극과 황화물 전해질 사이에 고무 바인더(NBR)나 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 같은 층을 넣고 있으나 이온전도성 저하나 부산물 생성 등의 한계로 실용화에 어려움이 있다.

이번에 공동 연구팀은 황화물 전해질 내부에 '탄성 이온전도성 고분자(E-ICP)'가 스며들게 해 기존 문제를 해결했다.
 
E-ICP은 충·방전 과정에서 전극이 팽창하거나 수축할 때 발생하는 스트레스를 흡수하고 전해질과 전극 사이를 단단히 붙잡아 균열 발생을 줄이는 역할을 한다.
 
또 전해질 속 빈 공간을 채워 리튬이온이 이동할 수 있는 추가 경로를 제공, 이온전도 성능 유지에 도움을 준다.

연구팀은 "액체 상태 전구체를 전해질 내부에 주입한 뒤 그물망 구조로 경화시켜 전해질 입자 사이 빈 공간을 채운 것"이라며 "탄성 이온전도성 고분자는 고무처럼 늘어나는 성질을 가진 고분자 소재로  황화물 전해질 내부 빈틈을 메우고 충·방전 시 발생하는 팽창·수축 스트레스를 흡수해 균열과 계면 박리를 줄인다"고 설명했다.

실험 결과, 탄성 고분자를 적용한 전지는 충·방전 상황을 재현하는 리튬 도금·제거 반복 실험에서 2500시간 이상 안정적으로 작동했다.

고속 충·방전 조건에서도 높은 용량을 유지해 200회 충·방전 후 용량 유지율은 탄성 고분자 미적용 황화물 전해질 전지가 22% 수준에 그친 반면 탄성 고분자를 적용한 전지는 75%를 유지해 3배 이상 향상됐다.

특히 이 기술 낮은 압력조건에서도 상대적으로 안정적인 성능을 보여 전지의 외부 압력 의존성을 낮추는 데도 효과적이다.

연구팀은 향후 대면적 전지와 전기차용 환경에서 추가 검증을 이어나갈 계획이다.

이번 성과는 재료분야 저명한 국제학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)'에 지난달 게재됐다.

김동욱 박사는 "황화물 전고체전지의 핵심 난제인 기계적 안정성 문제를 해결할 수 있는 기술을 확보했다"며 "차세대 전기차와 에너지저장 장치용 고안전성 배터리 개발에 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.


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