GIST 등, 수소 이온으로 화재 잡고 수명 늘린 전고체전지 기술 개발

- 리튬 금속 표면에 계면 보호층 형성하는 원리 규명

- 고전류 조건 1,000회 충·방전 후 효율 100% 수준 유지

- 차세대 에너지 저장 기술 개발 활용 기대

연구진 사진. (왼쪽부터) 이상호 석사과정생, 화학과 김상륜 교수. (자료제공: GIST)

연구 내용을 요약한 그림. (자료제공: GIST)

광주과학기술원(GIST·지스트, 총장 임기철)은 화학과 김상륜 교수와 한국전자기술연구원(KETI) 조우석 박사 연구팀이 일본 교토대학교와의 공동연구를 통해, 수소를 많이 포함한 특수 이온(착음이온)이 전고체전지 내부에서 전극과 전해질 사이를 안정적으로 보호하는 얇은 층을 형성하는 원리를 규명했다고 5월 11일 밝혔다.

연구팀은 이 이온이 리튬 이온의 이동은 원활하게 유지하면서도 배터리 성능 저하를 유발하는 불필요한 화학 반응을 효과적으로 억제한다는 점을 확인했다. 이를 통해 배터리 수명을 크게 늘리고 발열과 화재 위험을 낮출 수 있는 가능성을 제시했다.

최근 전기차 시장이 빠르게 성장하면서 한 번 충전으로 더 멀리 갈 수 있으면서도 화재 위험은 낮춘 차세대 배터리 개발 경쟁이 치열해지고 있다. 특히 액체 대신 고체 전해질을 사용하는 ‘전고체전지’는 안전성과 에너지 저장 성능을 동시에 높일 수 있는 기술로 주목받고 있다.

이 가운데 ‘아지로다이트(Argyrodite) 구조 고체전해질’은 배터리 안에서 리튬 이온이 빠르게 이동할 수 있어 성능이 우수한 차세대 소재로 평가된다.

그러나 기존 아지로다이트 전해질은 충·방전 과정에서 리튬 금속과 직접 반응하면서 표면에 나뭇가지 모양의 결정체인 ‘덴드라이트’가 자라거나 불안정한 화학 반응이 발생하는 문제가 있었다. 이 때문에 전류가 높아지면 배터리 성능이 떨어지거나 안정성이 낮아지는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 수소를 많이 포함한 특수 이온인 ‘BH₄⁼’를 고체전해질에 도입하고, 배터리 내부에서 리튬 금속과 어떤 반응을 일으키는지 정밀하게 분석했다. 그 결과, BH₄⁼ 이온이 충·방전 초기 단계에서 리튬 금속과 먼저 반응해 표면에 얇고 안정적인 보호막을 형성한다는 사실을 확인했다.

이 보호막은 전해질과 리튬 금속이 직접 맞닿으며 생기는 불필요한 화학 반응을 줄이는 동시에, 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있도록 도와 배터리가 안정적으로 작동하도록 유도했다.

기존 전고체전지는 충·방전이 반복될수록 전극과 전해질 사이에 불규칙한 반응 생성물이 쌓여 내부 구조가 불안정해지는 문제가 있었지만, BH₄⁼를 도입한 경우에는 이러한 반응이 보다 균일하고 안정적으로 제어되는 것으로 나타났다.

연구팀은 ‘X선 광전자 분광법(XPS)’과 ‘비행시간 이차이온 질량분석법(ToF-SIMS)’을 활용해 배터리가 실제로 충·방전되는 과정에서 전극과 전해질 사이의 구조와 화학 성분이 어떻게 변하는지 정밀하게 분석했다.

분석 결과, 초기에는 일부 반응 생성물이 형성되지만 이후 BH₄⁼가 리튬 금속과 안정적으로 반응하면서 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있는 보호층 구조가 만들어지는 것으로 확인됐다. 이러한 계면 안정화는 배터리 내부에서 불필요한 화학 반응과 열 발생을 줄여, 화재 위험을 낮추는 데에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

또한 연구팀이 높은 전류 조건에서 1,000회 충·방전을 반복한 실험에서도 충·방전 효율(쿨롱 효율)이 100%에 가까운 수준으로 유지돼, 장기간 안정적으로 작동할 수 있음을 입증했다.

김상륜 교수는 “이번 연구는 고수소밀도 착음이온이 전해질·음극 계면에서 어떻게 작동하는지를 규명하고, 리튬 메탈과 안정적으로 반응할 수 있는 새로운 계면 설계 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며 “향후 차세대 전고체전지를 비롯한 다양한 에너지 전자소자 개발에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

GIST 화학과 김상륜 교수와 KETI 조우석 박사가 공동으로 지도하고 GIST 화학과 이상호 석사과정생이 제1저자로 참여한 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 개인기초연구연구사업, 과학기술정보통신부·과학기술사업화진흥원 차세대 유망 Seed 기술 실용화 패스트트랙, 교육부·광주광역시 지역혁신중심 대학지원체계(RISE) 사업, 산업통상자원부·한국산업기술진흥원 산업기술혁신사업의 지원을 받았다.

연구 결과는 재료과학·화학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 5월 9일 온라인으로 게재됐다.

한편 GIST는 이번 연구 성과가 학술적 의의와 함께 산업적 응용 가능성까지 고려한 것으로, 기술이전 관련 협의는 기술사업화실(hgmoon@gist.ac.kr)을 통해 진행할 수 있다고 밝혔다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]