[기계신문] 전기에너지를 화학에너지로 저장·변환하여 에너지원으로서 사용하는 리튬이온전지는 일상생활 전반에 걸쳐 사용되고 있다. 최근에는 화재의 원인이 되는 액체전해질을 사용하지 않는 전고체 리튬이온전지가 각광받고 있다.
전고체 리튬이온전지는 고체전해질을 사용하여 폭발, 화재의 위험성을 근본적으로 차단할 수 있고, 전지를 병렬로 연결하여 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 가능성이 있다. 하지만 전고체 리튬이온전지는 낮은 고체·고체 계면 특성으로 인해 충·방전 시 전지의 용량 저하, 수명 저하의 원인이다.
이를 해결하기 위해서 많은 연구들이 고체-고체 계면의 심도있는 분석을 통해 낮은 계면 특성에 대한 원인을 보고하고 있다. 그 중 전극과 전해질 표면에서의 결정학적 차이에 의한 분석도 진행되고 있다.
하지만 전기화학적 반응이 발생하는 계면을 정의하기 어렵기 때문에 결정학적 차이에 의한 영향만을 규명하기는 어렵다. 따라서 고체-고체 계면의 정확한 분석이 필요하다.
이런 가운데 한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구단 박상백 박사 연구팀이 성균관대학교 신현정 교수팀과의 공동연구를 통해 전고체 배터리 상용화의 걸림돌인 고체전해질과 양극 사이의 계면 저항이 증가하는 문제를 막을 수 있는 획기적인 소재 설계전략을 개발했다.
서로 다른 두 물질이 만나는 계면에서는 독특한 물리적 현상이 발생한다. 물질 내부의 원자들이 주변의 다른 원자들과 손을 맞잡고 안정적인 결합을 하는 것과 달리 바깥쪽의 원자는 한쪽이 비어 있어서 계면의 원자들은 내부와 다른 원자 배열을 할 가능성이 크기 때문이다.
고체 전극-고체 전해질의 계면을 갖는 전고체 배터리의 경우, 제한적인 전하이동과 함께 원자 배열이 흐트러지는 현상이 발생해 저항과 열화를 일으킨다.
이를 해결하기 위해 현재 주로 연구되고 있는 방법은 양극과 전해질 표면에 다른 소재를 코팅하거나 중간 층을 삽입하는 방법이다. 하지만 이는 추가적인 비용 상승과 함께 전지 전체의 활성과 에너지밀도 저하를 야기하고 있다.
KIST-성균관대 공동 연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 먼저 고체 계면에 직접적인 영향을 미치는 소재의 결정구조부터 체계적으로 확인했다.
기판의 결정이 형성되어 있는 방향을 따라 박막을 성장시키는 반도체 제조 기술(에피택셜 박막 기술)을 이용해 입자의 노출된 결정 표면(노출결정면)이 다른 여러 조건의 양극 박막을 확보하고, 결과에 영향을 미칠 수 있는 입자크기, 접촉면적 등의 다른 요소들을 배제해 노출결정면이 고체전해질과 양극 소재 계면에 미치는 영향을 세밀하게 분석했다.
그 결과 원자 내의 결정 표면이 빽빽하게 구성된 경우에 양극 소재 내에 있어야 하는 전이 금속이 전해질로 새어 나가는 현상이 억제되어 전고체 전지의 안정성을 개선할 수 있음을 확인했다.
또한, 결정들의 경계면이 전자의 이동 방향과 평행하게 배열된 경우 결정을 따라 이동하는 이온과 전자가 이동에 방해를 받지 않아 저항이 줄고 출력은 높아지는 특성을 확인했다.
KIST 박상백 박사는 “결정 표면의 밀집도를 높이고, 결정들의 경계면의 방향을 조절하면 양극 소재 자체 개선으로 높은 성능과 안정성을 확보할 수 있음을 의미한다”며 “전고체 전지 성능 저하의 메커니즘을 규명한 이번 연구를 바탕으로 향후 고체전해질과 양극 고체 계면의 불안정성을 극복하고 높은 이온-전하 교환 특성을 제공하는 전고체 전지 소재 개발에 더욱 박차를 가할 계획”이라고 밝혔다.
이번 연구에서는 고체-고체 계면에서 결정학적 노출면이 전고체전지의 특성에 영향을 주는 것을 확인하였고, 안정한 결정면이 양극에서의 전이금속의 확산과 용해를 억제한다는 것을 밝혔다.
또한, 고체-고체 계면의 비정질 영역과 전자이동 방향과 평행하게 배열된 결정입계는 전하이동을 방해하여 전지의 특성을 저하시키는 것을 확인했다. 이러한 고체-고체 계면에서의 결정학적인 차이에 의한 특성 분석은 고성능의 전고체 전지 설계를 가능하게 할 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 나노 분야 국제학술지 ‘Nano energy’ 최신 호에 게재되었다.
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