전기차 배터리 내부 균열, 탄성 고분자 소재로 해결

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 국내 연구진이 고무처럼 늘어나는 탄성 이온전도 소재를 활용해 전고체전지의 수명과 안정성을 향상시키는 기술을 개발했다.

한국화학연구원은 김동욱 박사팀과 연세대학교 황성주 교수, 성균관대학교 박호석 교수 연구팀이 황화물 전고체전지 내부에 '탄성 이온전도성 고분자'를 넣어 충·방전 과정에서 발생하는 균열과 계면 손상을 줄이고 전지 수명을 향상시키는 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

전고체전지는 액체 전해질이 시용되는 리튬이온전지와 달리 화재 위험이 없어 전기차가 보급될수록 사용화 기대감이 커지고 있다.

특히 황화물은 액체 전해질 수준의 급속충전과 고출력 구현에 유리해 글로벌 배터리 기업들이 주목하고 있다.

다만 딱딱한 고체 전해질과 전극이 맞닿아 있는 구조라 충·방전을 반복할수록 내부에 균열이 발생하기 쉽다. 이렇게 생긴 틈은 전자 및 이온 이동을 차단해 급격히 수명을 단축시킨다. 이에 높은 압력으로 눌러주는 결합 장치가 필수적이어서 배터리 무게와 생산 비용이 늘어난다.

이를 해결하기 위해 전극과 황화물 전해질 사이에 고무 바인더(NBR)나 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 같은 층을 넣는 시도를 했으나, 이온전도성 저하나 부산물 생성 등 한계로 실용화가 어려웠다.

연구팀은 황화물 전해질 내부에 '탄성 이온전도성 고분자’가 스며들게 해 문제를 해결했다. 액체 상태 전구체를 전해질 내부에 주입한 뒤 그물망 구조로 경화시켜 전해질 입자 사이 빈 공간을 채운 것이다.

주입된 탄성 고분자는 전해질과 전극 사이를 단단히 붙잡고 잔해질 속 빈 공간을 채워 리튬 이온의 이동 경로를 넓히는 역할을 한다.

실험 결과, 탄성 고분자를 적용한 전지는 충·방전 상황을 재현하는 리튬 도금·제거 반복 실험에서 2500시간 이상 안정적으로 작동했다. 기존 황화물 전해질은 충·방전 과정에서 경계면 손상이 누적됐지만, 탄성 고분자를 적용한 경우 경계면이 안정적으로 유지됐다.

고속 충·방전 조건에서도 더 높은 용량을 유지했다. 200회 충·방전 후 용량 유지율은 기존 황화물 전해질 전지가 22% 수준에 그친 반면, 탄성 고분자를 적용한 전지는 75%를 유지해 3배 이상 향상됐다.

전지의 외부 압력 의존성을 낮추는데도 효과적이다. 기존 황화물 전고체전지는 전극과 전해질의 밀착을 유지하기 위해 작동 시 높은 압력이 필요했다.

반면 이번 기술은 낮은 압력 조건에서도 상대적으로 안정적인 성능을 보였다. 이는 향후 전고체전지 제조 비용 절감과 구조 단순화에 기여할 수 있어 상용화 관점에서 큰 의미를 가진다고 연구팀은 설명했다.

이 기술은 차세대 황화물계 전고체전지 제조 공정, 전기자동차(EV)용 차세대 전고체전지, 에너지저장장치(ESS)용 고안전성 배터리 등에 적용 가능할 것으로 기대된다. 연구팀은 향후 대면적 전지와 전기차용 환경에서 추가 검증을 계획 중이다.

김 박사는 "황화물 전고체전지의 핵심 난제인 기계적 안정성 문제를 해결할 수 있는 기술"이라고 말했다.

이번 성과는 재료 분야 국제학술지 '에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)’에 게재됐다.

jongseo12@news1.kr