UNIST 연구팀 `황화물계 전고체 배터리` 단점 보완 소재 개발

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UNIST 연구팀 '황화물계 전고체 배터리' 단점 보완 소재 개발

디지털데일리 발행일 2023-04-11 10:44:19

이건한

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[디지털데일리 이건한 기자]UNIST(울산과학기술원) 에너지공학과 정성균 교수팀이 황화물계 고체전해질의 단점을 보완할 수 있는 유기물 코팅 소재를 개발했다.

황화물계 고체전해질은 차세대 전고체전지 개발 분야의 유망 소재로 널리 연구되고 있다. 액체전해질처럼 이온 전도도가 높고 낮은 기계적 변형성과 낮은 중량밀도가 장점이다. 그러나 배터리에 적용 시 여러 고질적 문제도 따르고 있다. 양극 계면에 필요한 반응을 넘어 절연체 성능 저하를 가져오는 열화 반응, 충·방전 과정에서 발생하는 부피 변화로 고체전해질의 기계적 접촉 손실 등이다.

따라서 황화물계 전고체 전지 전극과 전해질 계면의 화학·물리적 상태를 온전히 유지하는 것이 수명 연장을 위한 핵심 과제다. 이를 위해 기존에는 산화물계 무기물 코팅 소재가 주로 사용됐으나 소재가 부서지기 쉽고 고온에서 제조해야 한다는 한계가 있었다.

연구팀은 이를 보완하기 위해 유기 전해질 첨가제를 코팅 소재로 사용했다. 리튬이온 전지에서 액체 전해질의 유기물 첨가제로 사용되던 이플루오로비스(옥살레이토) 인산염이다. 그리고 이를 적용한 양극-고체전해질 계면층은 기존 방식보다 상온에서도 코팅층 형성이 가능했다.

또 연구팀은 유기물 방식이 고전압으로 충전될 때 발생하는 화학적 열화 속도를 늦추고, 낮은 구동 압력에서도 기계적 열화를 완화하는 데 도움을 준다는 사실도 확인했다.

연구팀은 이번 연구를 확장해 황화물 기반 전고체전지의 양극 계면 열화 반응에 대한 심층분석을 진행했다. 향후 황화물 기반 전고체전지의 양극 코팅 물질 설계의 새로운 전망과 이해를 제시할 것으로 기대된다.

정성균 교수는 “이번 연구는 기존 전고체전지에서 고려되지 않았던 유기물 코팅 소재에 대한 탐색 가능성과 확장성, 전고체전지의 열화 거동에 대한 심층적 이해를 제공한다”고 소개했다.

한편 본 연구는 한국연구재단 산업통상자원부 기술 혁신 프로그램, 과학기술정보통신부 한국연구재단 신진 연구사업, 국가과학기술연구회, 이차전지 전해질 생산업체인 (주)천보의 지원으로 수행된 것이다. 2023년 3월 9일 에너지 소재 분야의 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스 (Advanced Energy Materials)’에 게재됐다