UNIST(울산과학기술원) 에너지화학공학과와 서울대학교 첨단융합학부, 포항공과대학교(POSTECH) 연구진이 전고체전지(All-Solid-State Battery)의 성능 저하 원인을 규명하고, 계면 안정화를 통해 폭발 위험을 줄일 수 있는 새로운 설계 전략을 제시했다. 이번 연구는 차세대 전기차와 대용량 에너지저장장치(ESS)의 핵심 기술로 꼽히는 전고체전지 상용화를 앞당길 중요한 성과로 평가된다.

 

전고체전지는 기존 리튬이온전지에서 사용하는 가연성 액체 전해질 대신 불연성 고체 전해질을 적용해 화재 위험이 거의 없고, 더 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 ‘꿈의 배터리’로 불린다. 그러나 양극과 고체전해질이 직접 맞닿는 계면에서 화학적 분해와 구조적 손상이 일어나며 성능이 빠르게 저하되는 문제가 남아 있었다.

 

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 리튬 디플루오로포스페이트(LiDFP)를 활용해 양극 표면에 코팅층을 형성한 전고체전지를 제작하고, 머신러닝과 디지털 트윈(digital twin), 첨단 분석기법을 적용해 전지의 열화 거동을 정밀 추적했다.

 

 

그 결과, 코팅층이 적용된 전극에서는 화학적 열화가 크게 억제되고 반응이 균일하게 진행돼 입자 손상이 고르게 분포하는 것으로 확인됐다. 이는 특정 부위의 집중 손상을 방지해 전지의 장기 안정성을 높이는 핵심 요인으로 작용했다.

 

특히 이번 연구는 코팅층이 단순한 보호막 역할을 넘어, 계면에서의 화학 반응을 제어하면서도 리튬 이온 이동 경로를 유지하는 기능을 수행한다는 점을 밝혀냈다. 이를 통해 전지의 수명 연장뿐만 아니라 이온 전도 특성 개선에도 기여할 수 있음을 입증했다.

 

연구팀은 이번 결과가 전고체전지의 열화 메커니즘을 근본적으로 이해하고, 고성능·장수명 전지를 설계하기 위한 기반을 마련했다는 점에서 의의가 크다고 강조했다.

 

 

이번 연구는 한국연구재단 산업통상자원부 기술혁신 프로그램과 신진연구사업, 포스코펠로우십, 과학기술정보통신부, 한국산업기술진흥원, 이차전지혁신연구소, (주)천보의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 에너지 소재 분야 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’(Nature Communications)에 10월 3일자로 게재됐다.

 

헬로티 이창현 기자 |