한양대, 전고체 배터리 전도도·성능 상관관계 규명

[이데일리 신하영 기자] 한양대 연구진이 전고체 배터리의 고밀도 설계에 도움이 될 연구 결과를 발표했다.

왼쪽부터 권규문 박사과정, 박태주 교수, 강효랑 겸임교수(사진=한양대 제공)

한양대는 박태주 재료화학공학과 교수팀이 이러한 연구 성과를 거뒀다고 22일 밝혔다.

연구팀은 황화물계 전고체전지에서 양극 활물질의 보호막 조성과 전도도, 전지 성능 간의 상관관계를 규명했다. 황화물계 전고체전지는 폭발 위험이 적고 에너지 밀도가 높아 차세대 이차전지 기술로 주목받고 있다. 하지만 양극 활물질과 고체전해질의 계면 불안정성이 여전히 큰 과제로 꼽힌다. 이를 해결하기 위해 활물질 표면에 산화물 보호막을 형성하는 기술이 도입됐지만 보호막 조성과 전도 특성이 전지 성능에 미치는 정량적 영향은 제대로 규명되지 못했다.

연구팀은 분말원자층증착법을 이용해 황화물계 고체전해질을 사용하는 전고체전지의 양극 활물질 표면에 조성이 다른 산화물 보호막을 형성했다. 이후 보호막의 이온전도도·전자전도도 변화와 전지 성능 차이를 실험적으로 비교·분석함으로써 전지 효율에 미치는 정량적 영향을 처음으로 밝혀냈다.

그 결과 이온전도도는 최대 20배, 전자전도도는 약 1000배 이상 차이를 보였다. 아울러 이러한 전도도 차이가 용량 유지율(수명 특성)에 직접적으로 반영되는 것을 확인했다. 특히 비교 분석 결과 초기 효율은 약 4.5%, 수명 특성은 약 37%까지 차이를 보여 보호막 조성 제어가 전고체전지 성능을 정량적으로 지배함을 실험적으로 입증했다.

박태주 교수는 “이번 연구는 보호막 조성을 정밀하게 제어해 전도도 특성과 전지 성능 간의 정량적 관계를 규명한 첫 사례”라며 “황화물계 전고체전지의 계면 안정화와 고에너지 밀도 구현을 위한 조성 설계의 기초를 마련했다”고 설명했다.

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행했으며 권규문 한양대 박사과정이 제1 저자로 참여했다. 박태주 한양대 교수, 강효랑 한양대 겸임교수는 교신저자를 맡았다. 연구 결과는 저명 국제학술지(Advanced Science)의 표지 논문으로 선정됐다.