울산과학기술원(UNIST)이 전고체전지 상용화를 촉진시킬 수 있는 진단기술을 개발했다.
UNIST 에너지화학공학과 이현욱 교수 연구팀은 압력 변화를 분석해 황화물 전고체전지 내부의 2차상 물질과 수지상 물질 생성 반응을 구분했다.
2차상 물질이나 리튬 수지상(덴드라이트) 물질이 만들어질 때 전지 내 부피 변화에 차이가 있을 수 있다는 점에서 아이디어를 얻었으며 전지 내 부반응이 다른 2종류의 황화물계 고체 전해질을 사용했다.
주석 금속 이온이 포함된 황화물계 고체 전해질은 배터리의 리튬 금속 전극과 만나면 불안정한 2차상으로 변하기 쉬운 반면 금속 이온이 없는 황화물계 고체 전해질에는 리튬 금속이 전극 표면에 뾰족뾰족하게 자라 전해질 속으로 파고드는 리튬 수지상이 잘 생기는 것으로 알려졌다.
이찬희 연구원은 “기존 전해질보다 부피가 훨씬 작은 2차상은 전해질 단면 전체에서 만들어지기 때문에 압력 감소가 크지만 리튬 수지상은 고체 전해질 내부의 작은 구멍을 메우는 형태로 생겨 압력 감소가 적었다”며 “실제 충전 실험에서 형태를 관찰했다”고 강조했다.
전고체전지는 내부 액체 전해질을 고체로 변경해 폭발 위험을 없앤 차세대 배터리이나 액체만큼 이온 전도도가 좋은 고체를 찾아야만 상용화가 가능할 것으로 예상되고 있다.
황화물계 고체는 그동안 나온 고체 전해질 가운데 가장 이온 전도도가 우수하며 연구팀의 진단 방식은 고가의 엑스레이 기술과 달리 소용량부터 대용량 배터리까지 모두 대응이 가능해 간편하고 정밀한 전고체전지 성능 평가와 예측의 길을 열 것으로 전망되고 있다.
연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 ACS Energy Letters 8월24일자로 온라인 공개됐다.
연구는 한국에너지기술평가원, 한국연구재단 신진연구사업의 지원을 받았으며 미국 조지아공대 매튜 맥도웰 교수 연구팀과 함께 수행했다. (강윤화 선임기자)