경북대 이지훈 교수, 전고체전지 성능·수명 좌우 요인 규명

(대구=뉴스1) 남승렬 기자 = 경북대는 31일 신소재공학과 이지훈 교수팀이 차세대 배터리로 평가받는 전고체전지(All-solid-state batteries, ASSBs)의 성능과 수명을 결정짓는 핵심 요인을 규명했다고 밝혔다.

전고체전지는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 배터리로, 화재 위험이 낮고 에너지 밀도를 높일 수 있어 전기차와 에너지저장장치(ESS)의 차세대 기술로 꼽힌다.

하지만 구동 과정에서 양극층 내부의 반응이 고르게 일어나지 않아 성능이 떨어지고, 전지가 예상보다 빨리 열화되는 문제를 안고 있다.

이 교수팀은 전고체전지에서 성능과 수명을 결정짓는 핵심 요인이 양극층 내부에서 양극 활물질과 고체 전해질이 얼마나 균일하게 분포하고 접촉하느냐에 주목해 양극층과 전해질 간의 미세구조 균질성임을 규명하고, 이를 제어할 수 있는 새로운 설계 원리를 제시했다.

연구팀은 양극층 내부 미세구조가 전지 반응에 미치는 영향을 규명하기 위해 양극 활물질과 고체 전해질의 혼합·배치 방식을 달리한 여러 복합 양극을 설계하고 전기 화학 성능 변화를 비교 분석했다.

또 방사광 가속기 기반의 다중 스케일 X선 분석 기법을 통해 양극층 내부에서 실제로 일어나는 반응을 다각도로 관찰했다.

결과 양극층 내부에서 양극 활물질과 고체 전해질의 계면 접촉이 균일할수록 개별 양극 활물질 입자들의 충전 상태(State-of-Charge, SoC)가 균일하게 유지되고, 이로 인해 특정 영역에서만 발생하는 고체 전해질의 산화 분해가 효과적으로 억제된다는 사실을 입증했다.

특히 투과 X선 현미경과 X선 흡수 분석을 이용한 개별 양극 활물질 입자 수준에서 충전 불균일의 시각화를 통해 미시적 불균질성이 전지 성능 열화로 이어진다는, 이른바 '미세구조 인과 사슬'을 체계적으로 제시했다는 점에서 의미가 크다고 연구팀은 설명했다.

이지훈 교수는 "이 연구는 전고체전지 성능 저하의 원인을 단순한 소재 문제를 넘어 전극 내부 미세환경의 구조적·화학적 균일성 관점에서 규명한 성과"라며 "전기차용 대면적 파우치 전지와 같은 실제 구동 환경에서도 안정적인 전지 반응을 확보할 수 있는 설계 지침이 마련될 것으로 기대한다"고 말했다.

pdnamsy@news1.kr