[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

급격한 기후변화와 더불어 고에너지 밀도 및 안전한 에너지 저장 장치에 대한 수요가 지속적으로 증가함에 따라, 충전식 전지 및 핵심 부품 소재의 개발에 이목이 집중되고 있다. 다양한 이차전지 소재들 중 고체전해질은 안전성 및 리튬 메탈과 같은 고용량 음극을 사용할 수 있다는 점에서 유기 액체 전해질에 대한 대안으로서 많은 관심을 받고 있다. 그 중 황화물 고체전해질은 높은 이온전도도, 높은 기계적 변형성 및 낮은 중량 밀도로 인해 산업 응용 분야에서 특히 유망한 시스템이다.

하지만, 황화물 고체전해질은 낮은 산화 안정성으로 인해 양극 계면에서 만성적인 부반응에 의한 화학적 열화를 야기하고 충방전 과정에서 발생하는 양극의 부피 변화로 인한 양극과 고체전해질 사이의 기계적 접촉 손실 등의 문제가 여전히 황화물 기반 전고체 전지의 개발을 저해하는 원인이 된다.

따라서, 전극-전해질 계면의 화학 및 물리적 상태를 유지하는 것은 장수명 고체 상태 전지(SSB)를 달성하는 데 있어 가장 큰 과제 중 하나이며 이를 해결하기 위한 기존에는 LiNbO3, Li2ZrO3 등의 산화물계 코팅 소재가 양극 코팅소재로 사용 되었다. 하지만, 산화물계 기반의 코팅 소재는 양극의 부피 변화에 대처하기 힘든 부서지기 쉬운 물성을 가지고 있으며 양극 코팅을 위한 고온에서의 제조 방식은 소재에 대한 구조 및 조성의 불일치를 유도할 수 있다.

따라서, 새로운 양극 코팅 소재에 대한 탐색이 절실한 상황이다. 다양한 코팅 소재 탐색군들 중 유기물 코팅 소재는 기존 유기 액체 전해질을 사용하는 리튬이차전지 시스템에서는 용해 등의 문제로 코팅 소재로 고려되지 않았다. 하지만, 무기물계 고체 전해질을 사용하는 전고체 전지 시스템에서는 유기물 코팅 소재에 대한 탐색을 고려해볼 수 있다. 따라서, 본 연구팀은 기존에 리튬이온전지에서 사용되던 유기물계 첨가제를 양극 코팅 소재로 활용하여 코팅 소재에 대한 확장성을 제공하고자 하였으며 유기물 코팅 소재의 전고체 전지 시스템에서의 실제 거동을 명확히 이해하고자 하였다. 또한, 양극-고체 전해질 계면에서 발생하는 화학적,기계적 열화에 대한 심층적인 이해를 통해 전고체 전지의 양극 계면 열화에 대한 이해를 확장하고자 했다.

2. 연구내용

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 정성균 교수팀은 유기물 첨가제로 사용되던 이플루오로비스(옥살레이토)인산염(LiDFBOP)을 활용한 양극-고체전해질 계면층을 개발하였다. 유기물 기반의 코팅 소재는 기존 산화물계 코팅층에 비해 탄성 변형 특성을 가질 것으로 기대되며 상온에서도 소재의 변형 없이 간편하게 코팅층을 형성할 수 있다는 것을 확인했다.

이플루오로비스(옥살레이토)인산염 기반의 유기물 코팅층은 기존의 리튬이차전지 시스템에서 활용되던 첨가제와 같이 양극 계면에서 충방전 과정에서 산화된 양극-고체전해질 계면층을 형성하며 황화물 고체전해질의 산화분해에 의한 황산염 또는 황화염의 생성을 억제하는 것을 확인하였으며 코팅층 도입에 따른 계면에서의 화학적 열화 반응 속도가 감소하는 것을 확인했다.

또한, 저압의 구동 환경에서도 유기물 기반의 양극 계면층은 양극과 고체전해질 사이에서의 접촉 손실을 완화시키는 것을 확인하였으며 유기물 기반의 코팅 소재는 양극 복합체에서 양극 입자들의 반응 균일도를 향상시켜 전고체 전지의 열화를 억제했다.

연구팀은 전고체 전지의 계면에서 발생하는 열화 거동을 고도 분석을 통해 복합적인 화학적 기계적 열화의 상관관계를 심층적으로 이해하여 전고체 전지에 대한 이해를 확장했다.

상기의 유기물 코팅 소재에 의한 양극-고체전해질 계면에서의 화학적,기계적 열화의 완화는 전고체 전지의 높은 초기 용량을 제공하며, 장기간의 전지 구동에도 안정성을 더하여 장수명 전고체전지의 가능성을 보여준다.

3. 기대효과

본 연구는 산화물계 기반의 무기물 코팅 소재로 많이 국한되어 있던 황화물 전고체 전지에 대한 양극 코팅 소재에 대한 확장성을 제공한다. 특히, 저렴한 유기물 코팅 소재의 소량 첨가로 인한 전기화학적 특성의 향상과 기존 코팅 소재 합성에 비해 간략한 상온대기 조건에서의 합성 방법은 산업적인 가치도 지니고 있다. 또한, 양극-고체전해질 계면에서 발생하는 화학적 기계적 열화의 상관관계에 대한 심도있는 이해의 제공은 전고체전지의 연구에 대한 확장성을 제공하고 열화 메커니즘을 규명하는 데 많은 가치를 지니고 있다.

[붙임] 용어설명

1. 황화물계 고체전해질 (Sulfide Solid Electrolytes)

황(S) 음이온을 기반으로한 고체전해질로써 다른 고체전해질 부류에 비해 높은 이온전도도, 우수한 기계적 물성, 그리고 낮은 중량 밀도로 많은 관심을 받고 있는 고체전해질의 한 부류.

2. 산화물계 코팅소재 (Oxide coating materials)

산소(O) 원자를 포함한 코팅 소재로 주로 전고체전지 시스템에서는 LiNbO3, Li2ZrO3 등의 산화물계 코팅 소재가 양극 코팅소재로 사용됨.

3. 전고체전지(All-Solid-State batteries)

기존 유기 액체전해질을 사용하던 리튬이온전지와 다르게 유기 액체전해질을 고체전해질로 대체함으로써 전지 내 모든 구성 물질이 고체상으로 형성된 전지 시스템.

4. 양극-전해질 계면 보호층 (Cathode-Electrolyte Interphase layer)

양극 활물질과 전해질의 계면에서 형성되는 계면 보호층으로 계면 보호층의 구성 성분에 따라 전지의 전기화학적 특성에 영향을 미침.

[붙임] 그림설명

그림1. 유기 코팅층의 존재에 따른 양극 계면에서의 화학적-기계적 계면 열화