‘게임체인저’ 전고체배터리의 단락 전조, 센서 붙여 감지

전고체배터리에 센서를 부착해 단락 전조 증상을 조기에 감지할 수 있는 기술이 나왔다.

UNIST 에너지화학공학과 이현욱 교수팀은 전고체 전지 외부에 압력센서와 변위 센서를 부착해 리튬 수지상 형성을 사전에 감지하는 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

전고체배터리는 휘발성 액체 전해질을 고체로 대체한 차세대 전지다. 폭발과 화재 위험은 크게 줄지만 배터리가 죽어버리는 단락의 가능성은 여전히 있다. 단락은 바늘처럼 생긴 리튬 수지상이 전해질을 관통해 생기는 현상으로, 음극 소재로 리튬 금속을 쓰는 전고체배터리는 수지상이 자라기 더 쉽다.

이 수지상은 배터리 충전 과정에서 리튬 금속이 전극의 ‘수직’ 방향으로 쌓여 나가면서 생긴다. 정상적인 충전 과정에서 리튬 금속이 전극 표면에 ‘수평’ 방향으로 고르게 도금된다.

연구팀은 압력센서와 2개의 변위 센서를 배터리 셀에 부착해 수지상을 조기에 감지하는 기술을 개발했다. 수지상이 생길 때 배터리 셀 안에서 발생하는 미세 부피 변화를 읽어내는 원리다. 수직 방향 성장이 발생하는 경우 압력 변화가 급격하고, 셀 양쪽에 부착된 변위센서로 측정한 셀 두께 변화간의 차이가 컸다.

[연구그림] 전고체전지의 압력과 변위 변화를 읽어내는 단락 전조 증상 진단법

이 같은 분석법을 통해 수지상을 억제할 수 있는 조건도 찾아냈다. 완제품 배터리는 셀들을 쌓아 만든 구조인데, 위에 누르는 압력(stack pressure)을 높이는 방식이다. 또 리튬과 잘 섞이는 은이나 마그네슘을 음극 표면에 코팅하는 방식으로도 수지상 형성을 억제할 수 있었다.

압력을 높이는 방식은 리튬 음극 뿐만아니라 상용 배터리에 들어가는 실리콘 복합체 음극에서도 효과를 보였다. 20MPa(메가파스칼) 이상의 압력을 가하면 리튬이 균일하게 음극에 삽입되면서 쿨롱 효율이 99.7% 이르렀다. 리튬 손실이 거의 없어 충·방전 효율이 높고 수명이 길다는 뜻이다.

이현욱 교수는 “전고체배터리는 휘발성 전해질이 없어 폭발 위험은 낮지만, 리튬 수지상이 고체 전해질을 뚫으면 셀 내부에서 전기적 단락이 발생할 수 있다”며 “이번 연구는 이런 위험을 사전에 진단할 수 있는 정량적 기준을 마련한 것”이라고 설명했다. 이어 “도금의 방향성과 균일성을 실시간으로 파악할 수 있다는 점에서, 전고체전지의 안정성 향상과 상용화에 핵심적인 기반이 될 수 있다”고 덧붙였다.

이번 연구 결과는 국제학술지 에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)에 6월 10일 온라인 공개됐으며, 지난 한 달간 가장 많이 본 논문으로도 선정됐다.

연구수행은 ㈜현대자동차, 과학기술정보통신부 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐다.