차세대 전기차와 대용량 에너지 저장 장치의 핵심 기술인 전고체전지 상용화를 앞당길 성과가 공개됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 김동혁 교수, 서울대 첨단융합학부 정성균 교수팀, POSTECH 홍지현 교수팀이 황화물계 고체 전해질 기반 전고체전지의 양극·전해질 계면 안정화 기술을 개발하고 전지 열화 거동을 규명했다고 14일 밝혔다.

전고체전지는 가연성 액체 전해질 대신 불연성 고체 전해질을 사용해 기존 리튬이온전지보다 안전하고 에너지 저장 용량이 커 '꿈의 배터리'로 불린다. 하지만 양극과 고체 전해질이 맞닿는 계면에서 화학적 분해와 구조적 손상이 발생해 성능과 수명이 급격히 저하되는 문제가 있었으나, 이에 대한 이해는 부족했다.

연구팀은 리튬 디플루오로포스페이트(LiDFP)를 활용해 양극 표면에 코팅층을 형성한 모델 시스템을 제작하고, 전고체전지의 열화 거동을 정밀 분석했다.

머신러닝, 디지털 트윈, 첨단 분석 기법을 도입해 양극과 전해질 사이의 화학적 열화가 양극 입자의 반응 균일성과 미세구조 변화에 미치는 영향을 입자 단위부터 전극 단위까지 추적했다.

코팅층이 적용된 양극에서는 화학적 열화가 크게 억제되고 입자 간 반응이 균일하게 진행됐다. 기계적 열화도 전극 전반에 고르게 분포하면서 특정 부위의 집중 손상이 나타나지 않았고, 높은 용량 유지율을 달성했다. 이는 전고체전지의 장기 구동 안정성 확보 가능성과 함께 상용화의 걸림돌이던 낮은 구동 압력 문제 해결 가능성도 제시했다.

이번 연구는 코팅층이 단순한 보호막이 아니라 계면의 화학 반응을 억제하는 동시에 리튬 이온 전달 경로를 유지하는 핵심 기능을 수행한다는 사실을 밝혀냈다. 코팅 소재가 전지 수명 연장과 리튬 이온 전도 특성 개선에도 기여할 수 있음을 입증한 것이다.

제1저자인 박찬현 박사는 "이번 연구는 전고체전지 성능 저하 원인을 양극 입자 단위에서 전극 단위까지 정밀하게 분석한 결과물"이라며 "코팅 소재의 역할이 단순한 화학 반응 억제를 넘어 새로운 리튬 이동 통로로 작용할 수 있음을 제시했고, 전고체전지 열화 거동 이해의 새로운 장을 열었다"고 설명했다.

한국연구재단 산업통상자원부 기술 혁신 프로그램, 한국연구재단 신진 연구사업, 포스코펠로우십, 과학기술정보통신부, 한국산업기술진흥원, 이차전지혁신연구소, 이차전지 전해질 생산 업체 인천보의 지원으로 수행된 이번 연구는 지난 3일 에너지 소재 분야 권위 학술지 Nature Co㎜unications에 게재됐다.