9일 광주과학기술원(GIST)에 따르면 기술원 김상륜 교수 연구팀이 한국전자기술연구원(KETI), 일본 교토대와의 공동연구를 통해 수소를 포함한 특수 이온(BH4-)이 전고체전지 내부에서 전극과 전해질 사이의 보호층을 형성하는 원리를 규명했다.
연구팀은 이온이 계면 보호막을 만들면서도 리튬 이온 이동은 원활하게 유지해 배터리 성능 저하를 유발하는 불필요한 화학 반응을 억제하는 역할을 한다는 점을 확인했다.
최근 전기차 시장 확대와 함께 안전성과 에너지 밀도를 동시에 높일 수 있는 전고체전지가 차세대 배터리로 주목받고 있다.
그러나 기존 고체전해질은 충·방전 과정에서 리튬 금속과 반응하며 성능 저하와 발열 위험을 유발하는 한계가 있었다.
특히 전극 표면에 나뭇가지 형태의 결정체인 '덴드라이트'가 형성되면 단락과 화재 위험이 커지는 문제점이 대두돼 왔다.
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연구팀은 고체전해질에 BH4- 이온을 도입한 뒤 X선 광전자 분광법(XPS)과 비행시간 이차이온 질량분석법(ToF-SIMS) 등을 활용해 충·방전 과정의 변화를 분석했다.
그 결과 BH4- 이온이 충·방전 초기 단계에서 리튬 금속과 먼저 반응해 안정적인 보호층을 형성하고, 이후 전해질과 리튬 금속 간 직접 반응을 줄여 계면 구조를 안정화하는 것으로 나타났다.
또 높은 전류 조건에서 1000회 이상 충·방전을 반복한 실험에서도 충·방전 효율이 100%에 가까운 수준을 유지해 장기 안정성도 입증했다.
연구팀은 이번 기술이 전고체전지의 수명 향상은 물론 발열과 화재 위험 감소에도 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
김상륜 GIST 교수는 "이번 연구는 고수소밀도 착음이온이 전해질·음극 계면에서 어떻게 작동하는지를 규명하고, 리튬 메탈과 안정적으로 반응할 수 있는 새로운 계면 설계 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다"며 "향후 차세대 전고체전지를 비롯한 다양한 에너지 전자소자 개발에 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.
이번 연구 결과는 재료과학·화학 분야 국제학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 온라인에 지난 9일 실렸다.
기술이전 관련 협의는 GIST 기술사업화실로 문의하면 된다.
/이동기 기자