포스텍·KAIST, 고분자 물질과 황화물 고체 전해질 간 상호작용 규명

포스텍(POSTECH)은 박수진 화학과 교수·조성진 박사·박사과정 송영진 씨 연구팀이 임성갑 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수팀과 공동연구를 통해 황화물계 전고체 배터리에서 음극을 안전하게 구동시킬 수 있는 고분자 보호막을 개발했다고 27일 밝혔다.

전기자동차의 경쟁력은 주행거리와 충전 속도에 달려 있다. 이 두 가지 요소 모두 배터리 성능에 직접적으로 영향을 미친다. 전기자동차의 안정성도 중요한 요소다. 하지만 현재 상용화된 리튬(Li) 이온 배터리는 액체 전해질과 고분자 분리막을 포함해 온도 변화와 외부 충격에 취약하다는 단점이 있다.

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황화물계 전고체 배터리에서 음극을 안전하게 구동시킬 수 있는 고분자 보호막을 개발한 연구팀. 왼쪽부터 박수진 교수, 조성진 박사, 박사과정 송영진 씨.

이를 보완하기 위해 최근 액체 전해질과 고분자 분리막 역할을 동시에 할 수 있는 고체 전해질 기반 전고체 배터리가 떠오르고 있다. 황화물계 고체 전해질은 이온 전도성(2.5x10-2S/cm)이 높고, 이를 활용한 배터리 조립 공정도 매우 간단하다. 하지만 전극 활물질과 전해질이 직접 맞닿은 계면이 화학·전기화학적으로 불안정해 배터리 내부 저항을 높이고, 성능을 떨어뜨리는 문제가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 배터리 내 음극과 전해질 간 직접적인 접촉을 막아줄 수 있는 고분자 물질을 도입했다. 화학적 기상 증착(iCVD) 공정을 통해 서로 다른 극성을 가진 여덟 가지 고분자 물질로 100㎚(나노미터) 두께 균일한 음극 코팅막을 만들었다.

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코팅된 고분자를 사용한 음극-전해질 계면 형성 과정 및 황화물계 전고체 배터리 설계 과정 이미지.

연구팀은 음극 코팅용 고분자 박막 8종을 사용해 계면 안정성과 배터리 성능을 평가했다. 그 결과 전고체 배터리 음극과 전해질 사이의 계면 안정성을 효과적으로 높일 수 있는 고분자로 만든 박막을 개발했다. 또 이를 적용한 전고체 배터리는 100회 이상 작동한 후에도 높은 용량 유지율을 기록했다. 이는 음극이 코팅되지 않은 기존 전고체 배터리 용량 유지율이 29%였던 것에 비해 매우 향상된 결과다.

현재까지 황화물계 전고체 배터리 분야에서 이러한 고분자 물질에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았는데, 고분자 물질과 황화물 고체 전해질 간 상호작용을 밝혀냈다는 점에서 의미가 있다.

박수진 교수는 “황화물계 전고체 배터리의 장기 안정성을 높일 수 있다는 새로운 가능성을 보였다”며 “이번 연구가 차세대 배터리 기술인 황화물 전고체 배터리 연구의 획기적인 전환점이 될 것”이라고 말했다.

산업통상자원부 한국산업기술평가관리원 사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 국제 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈' 온라인판에 게재됐다.


포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com