한국과학기술연구원(KIST)이 화재 위험이 낮은 전고체배터리 소재의 핵심 설계전략을 개발했다고 밝혔다.
전고체배터리는 기존 리튬 배터리의 불안정성과 낮은 용량을 동시에 해결할 수 있는 차세대 배터리다. 다만 고체전해질의 낮은 이온전도도와 높은 계면저항·열화가 전지 성능과 수명을 단축시켜 상용화에 난관을 겪어왔다.
KIST 박상백 박사와 성균관대학교 신현정 교수 공동연구진은 이런 문제를 해결하기 위해 먼저 고체 계면에 직접적인 영향을 미치는 소재의 결정구조부터 체계적으로 확인했다.
기판의 결정이 형성돼 있는 방향을 따라 박막을 성장시키는 반도체 제조 기술(에피택셜 박막 기술)을 이용해 입자의 노출된 결정 표면이 다른 여러 조건의 양극 박막을 확보하고, 결과에 영향을 미칠 수 있는 입자크기, 접촉면적 등의 다른 요소들을 배제해 노출결정면이 고체전해질과 양극 소재 계면에 미치는 영향을 세밀하게 분석했다.
그 결과 원자 내의 결정 표면이 빽빽하게 구성된 경우에 양극 소재 내에 있어야 하는 전이 금속이 전해질로 새어 나가는 현상이 억제되어 전고체 전지의 안정성을 개선할 수 있음을 확인했다.
또 결정들의 경계면이 전자의 이동 방향과 평행하게 배열된 경우 결정을 따라 이동하는 이온과 전자가 이동에 방해를 받지 않아 저항이 줄고 출력은 높아지는 특성을 확인했다.
KIST 박상백 박사는 “결정 표면의 밀집도를 높이고, 결정들의 경계면의 방향을 조절하면 양극 소재 자체 개선으로 높은 성능과 안정성을 확보할 수 있음을 의미한다”며 “전고체 전지 성능 저하의 메커니즘을 규명한 이번 연구를 바탕으로 향후 고체전해질과 양극 고체 계면의 불안정성을 극복하고 높은 이온-전하 교환 특성을 제공하는 전고체 전지 소재 개발에 더욱 박차를 가할 계획”이라고 말했다.
