울산과학기술원(UNIST)은 전고체 배터리에 압력 센서를 붙여 내부에서 일어나는 부반응을 알아내는 데 성공했다고 7일 밝혔다.
이 기술은 전지 수명을 줄이는 부반응을 알아내는 비파괴 진단 기술로 주목받고 있다.
UNIST에 따르면 에너지화학공학과 이현욱 교수 연구팀은 압력 변화를 분석해 황화물 전고체 배터리 내 2차상 물질과 수지상 물질 생성 반응을 구분했다.
연구팀은 2차상 물질이나 리튬 수지상 물질이 만들어질 때 전지 내 부피 변화에 차이가 있을 수 있다는 데에서 아이디어를 얻었다.
전지 내 물질의 부피가 줄어들면서 외부에서 측정한 압력이 감소하는 원리다.
연구팀은 이를 입증하기 위해 전지 내 부반응이 다른 두 종류의 황화물계 고체 전해질을 사용했다.
주석 금속 이온이 포함된 황화물계 고체 전해질은 배터리의 리튬 금속 전극과 만나면 불안정한 2차상으로 변하기 쉬운 반면, 금속 이온이 없는 황화물계 고체 전해질에는 리튬 금속이 전극 표면에 뾰족뾰족하게 자라 전해질 속으로 파고드는 리튬 수지상이 잘 생긴다.
제1 저자인 이찬희 박사과정 연구원은 “기존 전해질보다 부피가 훨씬 작은 2차상은 전해질 단면 전체에서 만들어지기 때문에 압력 감소가 크지만, 리튬 수지상은 고체 전해질 내부의 작은 구멍을 메우는 형태로 생겨 압력 감소가 적었다”며 “실제 충전 실험에서 이 같은 형태를 관찰했다”고 설명했다.
전고체 배터리는 내부 액체 전해질을 고체로 바꿔 폭발 위험이 없는 차세대 전지다.
이 배터리의 상용화 관건은 액체만큼 이온 전도도가 좋은 고체를 찾는 것인데, 황화물계 고체는 지금까지 나온 고체 전해질 중 가장 이온 전도도가 좋다.
이현욱 교수는 “고가의 엑스레이 기술과 달리 이 진단 방식은 소규모 전지부터 상용화될 대용량 전지까지 쓸 수 있다”며 “간편하고 정밀한 전고체 전지 성능 평가와 예측이 가능해질 것”이라고 말했다.
연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘에이시에스 에너지 레터스'(ACS Energy Letters)에 8월 24일 자로 온라인 공개돼 출판을 앞두고 있다.
연구는 한국에너지기술평가원, 한국연구재단 신진연구사업의 지원을 받았으며, 미국 조지아공대 매튜 맥도웰(Matthew T. McDowell) 교수 연구팀과 함께 수행했다.