울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 이현욱 교수팀이 액체 전해질을 고체로 바꿔 폭발위험이 줄어드는 전고체 배터리에 압력 센서를 붙여 내부에서 일어나는 전지 수명을 줄이는 부반응을 확인하는데 성공했다.
압력 변화를 분석해 황화물 전고체 배터리 내 2차상과 수지상 물질 생성 반응을 구분한 성과다.
연구팀은 2차상 물질이나 리튬 수지상 물질이 만들어질 때 전지 내 부피 변화에 차이가 있을 수 있다는 데서 출발했다.
전지 내 물질의 부피가 감소하면 외부에서 측정한 압력도 감소한다는 것을 전제로 했다.
연구에는 전지 내 부반응이 다른 두 종류 황화물계 고체전해질을 사용했다.
황화물계 고체는 현재까지 고체 전해질 중 가장 이온전도도가 좋아 주목받고 있는 물질이다.
관찰 결과 주석 금속 이온이 포함된 것은 배터리의 리튬금속 전극과 만나면 불안정한 2차상으로 변하기 쉬운 반면, 금속 이온이 없는 것은 리튬금속이 전극 표면에 뾰족뾰족하게 자라 전해질속으로 파고드는 리튬 수지상이 잘 생긴다는 것을 확인했다.
기존 전해질보다 부피가 훨씬 작은 2차상은 전해질 단면 전체에 거쳐 만들어지기 때문에 압력감소가 컸다.
리튬 수지상은 고체전해질 내부의 작은 구멍을 메우는 형태로 생겨 압력 감소가 작았다.
연구팀은 황화물계 고체전해질 제조에서 가하는 압력 정도를 달리한 분석 실험도 전개 했다.
결과는 분말형태 황화물을 뭉쳐 전해질을 만드는 공정의 압력이 클수록 리튬 수지상 생성이 억제되고 전지 수명이 길었다.
이현욱 교수는 “고가 엑스레이(X-ray) 기술과 달리 본 진단 방식은 소규모 전지부터 상용화될 대용량 전지까지 쓸 수 있는 기술이다”며 “간편하고 정밀한 전고체 전지 성능 평가와 예측이 가능해질 것”이라고 기대했다.
이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지인 ‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 8월 24일자로 온라인 공개됐다.
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