고무처럼 늘어나는 탄성 이온전도 소재를 활용해 전고체전지 수명·안정성을 향상시키는 기술이 개발됐다.
한국화학연구원(원장 신석민)은 김동욱 박사팀이 황성주 연세대 교수, 박호석 성균관대 교수팀과 함께 황화물 전고체전지 내부에 '탄성 이온전도성 고분자'를 넣어 충·방전 과정에서 발생하는 균열과 계면 손상을 줄이고 전지 수명을 향상시키는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.
전고체전지는 견고한 고체 전해질을 사용해 안전하다. 특히 황화물은 액체 전해질 수준의 높은 이온전도도를 보유해 급속충전과 고출력 구현에 유리해 글로벌 배터리 기업들이 주목하고 있다.
다만 황화물 전고체 전지는 딱딱한 고체 전해질과 전극이 맞닿은 구조라 충·방전을 반복할수록 전극 부피 변화가 누적돼 내부에 균열이 발생하기 쉽다. 이런 틈은 전자·이온 이동을 차단해 급격히 수명을 단축시킨다. 높은 압력으로 눌러주는 결합 장치가 필요해 배터리 무게와 생산 비용이 늘어난다.
이를 해결하기 위해 전극과 황화물 전해질 사이에 고무 바인더(NBR)나 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 같은 층을 넣어 문제를 해결하고자 했으나, 이온전도성 저하나 부산물 생성 등 한계로 실용화에 어려움이 있었다.
연구팀은 황화물 전해질 내부에 '탄성 이온전도성 고분자'가 스며들게 해 문제를 해결했다. 액체 상태 전구체를 전해질 내부에 주입한 뒤 그물망 구조로 경화시켜 전해질 입자 사이 빈 공간을 채웠다.
주입된 탄성 고분자는 두 가지 역할을 한다. 건물 내진 장치처럼 충·방전 과정에서 전극이 팽창하거나 수축할 때 발생하는 스트레스를 흡수하고, 전해질과 전극 사이를 단단히 붙잡아 균열 발생을 줄인다. 또 전해질 속 빈 공간을 채워 리튬 이온이 이동할 수 있는 추가 경로를 제공해 이온전도 성능을 유지한다.
실험 결과, 탄성 고분자를 적용한 전지는 충·방전 상황을 재현하는 리튬 도금·제거 반복 실험에서 2500시간 이상 안정적으로 작동했다. 또 고속 충·방전 조건에서도 더 높은 용량을 유지했다. 200회 충·방전 후 용량 유지율 75%를 유지했다.
특히 연구팀은 이 기술이 전지의 외부 압력 의존성을 낮추는 데도 효과적임을 확인했다.
김동욱 화학연 박사는 “황화물 전고체전지의 핵심 난제인 기계적 안정성 문제를 해결할 수 있는 기술”이라고 밝혔고, 신석민 화학연 원장은 “차세대 전기차와 에너지저장 장치용 고안전성 배터리 개발에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 성과는 재료 분야의 저명한 국제학술지 'Energy Storage Materials(IF: 20.2)' 5월호에 게재됐다. 김동욱 화학연 박사가 교신저자, 김주형 화학연·연세대 학생연구원, 배효원 화학연·성균관대 학생연구원이 공동 1저자로 참여했다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
