UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 정성균 교수팀은 황화물계 고체전해질을 기반으로 전고체전지 양극의 계면 안정성을 위한 유기물 코팅 소재를 개발했다.
황화물계 고체전해질은 액체 전해질처럼 높은 이온전도도와 기계적 변형성 및 낮은 중량 밀도로 인해 전고체전지 산업 응용 분야에서 특히 유망한 소재이다. 하지만, 황화물계 고체전해질은 양극 계면에서 필요한 반응 이외의 반응이 고질적으로 나타나는 문제점을 가진다. 즉, 절연체의 성질이 나빠지는 열화 반응이나 충방전 과정에서 발생하는 부피 변화로 고체전해질 사이의 기계적 접촉 손실 등의 문제가 발생한다.
따라서 전극-전해질 계면의 화학적·물리적 상태를 온전히 유지하는 것은 긴 수명을 가지는 전고체전지를 구현하는 데 있어 가장 큰 과제 중 하나이다. 이를 해결하기 위해 산화물계 기반의 무기물 코팅 소재가 주로 사용됐다. 하지만, 기존의 산화물계 코팅 소재는 부서지기 쉽고 고온에서 제조해야 한다는 한계점이 존재한다.
연구팀은 황화물 기반 전고체전지의 화학 및 기계적 열화를 완화하기 위한 연구를 진행했다. 양극–고체전해질의 계면을 인공적으로 보호하기 위해 유기 전해질 첨가제를 코팅 소재로 도입했다. 기존 리튬이온 전지에서 액체 전해질의 유기물 첨가제로 사용되던 이플루오로비스(옥살레이토)인산염을 활용했다. 이를 활용한 양극-고체전해질 계면층은 기존 산화물계 코팅층에 비해 상온에서도 코팅층을 형성할 수 있다는 장점을 가지게 된다.
또한 연구팀은 유기물 기반의 양극-고체전해질 계면층이 고전압으로 충전될 때 발생되는 화학적 열화 속도를 늦추며 낮은 구동 압력에서도 기계적 열화를 완화하는 데 도움을 준다는 것을 확인했다. 이를 통해 계면에서의 황산염 또는 황화염의 생성을 억제하는 등 화학적 안정성을 가지게 된다. 또한 개선된 양극-고체전해질 사이의 물리적 접촉은 전고체전지가 높은 용량을 구현하는데 도움을 주며 장기간으로 구동시킬 수 있도록 안정성을 높혀 수명이 긴 전고체전지 제작의 가능성을 보여줬다.
그림1. 유기 코팅층의 존재에 따른 양극 계면에서의 화학적-기계적 계면 열화
연구팀은 이번 연구를 확장시켜 황화물 기반 전고체전지의 양극 계면 열화 반응에 대한 심층적인 분석을 진행했다. 이를 통해 화학적·물리적 열화간의 상관관계와 열화의 발생 원인을 규명했다. 이번 연구는 일반적으로 사용되는 무기 산화물 물질을 넘어 황화물 기반 전고체전지의 양극 코팅 물질을 설계하는 새로운 전망과 이해를 제시할 것으로 기대된다.
정성균 에너지화학공학과 교수는 “이번 연구는 기존 전고체전지에서 고려되지 않았던 유기물 코팅 소재에 대한 탐색 가능성과 확장성을 제공했다”며 “또한 전고체전지의 열화 거동에 대한 심층적인 이해를 제공한다”고 전했다.
본 연구는 한국연구재단 산업통상자원부 기술 혁신 프로그램, 과학기술정보통신부, 한국연구재단 신진 연구사업, 국가과학기술연구회, 이차전지 전해질 생산 업체인 (주)천보의 지원으로 수행됐으 2023년 3월 9일 에너지 소재 분야 권위적 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스 (Advanced Energy Materials)’에 게재됐다.
