정성균 UNIST 교수팀, 고체전해질과 양극의 열 안정성 원리 규명
전고체전지를 더 안정적으로 안전하게 사용할 수 있는 방법이 제시됐다.
UNIST(총장 이용훈)는 정성균 에너지화학공학과 교수팀이 충전된 양극과 할라이드계 고체 전해질 사이의 열 안정성 연구를 수행해 연관성을 규명했다고 2일 밝혔다.
리튬이온전지에 사용하는 유기 액체 전해질은 화재와 폭발 위험성을 안고 있다. 비연소성 무기 고체 전해질과 이를 이용한 전고체전지가 주목 받는 이유다.
무기 고체 전해질 가운데 황화물 고체 전해질은 차세대 전고체전지 개발 분야 유망 소재다. 하지만 황화물 고체 전해질과 전극 사이에 생기는 폭발성 분해 생성물로 인해 열 안정성 문제가 지속적으로 대두됐다.
정 교수팀은 황화물 고체 전해질에 비해 산화 안정성이 높은 할라이드계 고체 전해질을 활용해 이 문제를 해결했다.
할라이드 고체 전해질로 많이 사용하는 LIC(Li3InCl6)와 충전된 NCM622 양극을 혼합한 복합체를 만들어 열 안정성 평가를 진행했고, LIC와 양극을 혼합한 복합체 사용에서 분해 반응 시작 온도가 높아져 안정성이 증가한다는 것을 확인했다. 폭발의 주요 원인인 산소 방출도 크게 억제됐다.
기존 황화물이나 산화물 기반 고체 전해질을 사용할 때는 양극과 고체 전해질의 분해 반응 시작 온도가 낮아 쉽게 분해되거나 터질 위험이 있었다.
정 교수팀은 이번 실험에서 양극에서 발생한 산소가 가스로 변하지 않고 LIC와 흡열 반응해 없어지는 현상도 발견했다. 다른 종류의 할라이드 고체 전해질이나 LCO 같은 다른 양극재를 사용해도 같은 결과를 얻었다.
정성규 교수는 “전고체전지 열 안정성에 고체 전해질과 전극 간 상호작용이 중요한 역할을 한다는 것을 확인하고 전고체전지 열 안정성을 높일 수 있는 새로운 접근 방법을 찾아냈다”며 “보다 안전한 전고체전지 설계와 개발에 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 신진 연구사업, 산업통상자원부와 방위사업청 민군협력진흥원 민군기술협력사업, 한국기계연구원 기본사업의 지원을 받았다. 연구 성과는 'ACS 에너지 레터' 3월 4일 온라인에 게재됐다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
