전고체전지 최대 약점 수분, 초박막으로 해결

POSTECH, 300번 충·방전 테스트에서 초기 용량 90.5% 유지

POSTECH은 전고체전지에 쓰이는 황화물계 고체 전해질을 새롭게 디자인하는데 성공했다고 10일 밝혔다.

전고체전지는 화재 위험이 없고 성능이 뛰어나 꿈의 배터리'로 불린다. 그러나 만들기가 너무 어렵다. 유기용매나 공기 중 미량 수분만으로도 표면이 쉽게 분해되기 때문이다. 마치 모래성이 물에 닿으면 무너지듯, 배터리를 완성하기도 전에 성능이 뚝뚝 떨어진다.

국제학술지 어드밴스드 에너지 머터리얼즈 표지에 실린 POSTECH 연구결과(왼쪽)와 양극고체전해질 구동 모식도.(그림=POSTECH)

연구팀은 ‘초박막 보호막’으로 이 문제를 해결했다. 성능도 개선했다.

황화물계 고체전해질(LPSCl1) 표면에 플루오로카본(–CF₃) 말단을 가진 ‘자가조립 단분자층’을 형성시킨 것. 두께 약 1nm 수준의 보호막을 만들었다. 이 막은 유기용매와 수분을 효과적으로 차단하면서도 전해질 내부 구조와 리튬이온 전도 성능은 그대로 유지한다.

이 보호막은 전기화학적 안정성도 크게 높이는 것으로 확인됐다. 분석 결과, 1.0C-레이트의 빠른 충·방전 조건에서 배터리가 안정적으로 작동했다. 코인 셀 수준의 낮은 압력(≈0.3 MPa)에서도 전극 내부 접촉 손실을 효과적으로 줄이며 성능을 유지했다.

C-레이트는 배터리 분야서 쓰는 충·방전 속도단위다. 1C는 배터리를 한 시간에 완전히 충전 및 방전 속도를 말한다. 0.5C는 두 시간에 완전히 충·방전하는 속도다.

연구팀은 완전한 배터리 셀 실험에서 300번 충·방전을 반복한 뒤에도 초기 용량의 90.5%를 유지했다.

이상민 교수는 "에너지밀도와 장수명을 동시에 확보해야 하는 전고체전지 상용화의 핵심 기준을 충족했다"며 "고체전해질 표면 안정화가 전극 제작부터 실제 구동까지 이어지는 계면 안정성을 확보했다. 전고체전지 공정 신뢰성과 저압 구동 내구성을 높일 수 있을 것"으로 기대했다.

박수진 교수는 “자가조립 단분자층 기반 표면처리는 공정이 단순하고 대량 생산이 가능해 대면적 전극 제조로 확장할 수 있다”고 덧붙였다.