한국원자력연구원 연구진이 세계 최초로 전고체 배터리의 쇼트(전기적 단락)가 일어나는 원인을 찾았다.
전고체 배터리는 액체 대신 고체를 전해질로 사용해 안전성을 높인 차세대 배터리다. 하지만 전고체 배터리도 폭발 위험이 있다. 전해질의 결정구조가 변하면 순간적으로 많은 전류가 흘러 쇼트가 일어나기 때문이다.
한국원자력연구원 중성자과학부 김형섭 책임연구원 연구팀은 세계 최초로 전고체 배터리의 전해질 결정구조가 변하는 정확한 원인을 규명하고, 이를 제어하는 방법을 찾았다.
전고체 배터리는 양극과 음극, 리튬이온이 이동하는 고체전해질 등으로 구성된다. 고체전해질 표면의 결정구조가 변하면 양(兩)극과 고체전해질의 접촉면에 전류가 고르지 않게 흘러 과전류가 흐르는 전기적 단락이 발생한다.
연구팀은 전해질 결정구조 변화의 정확한 원인을 규명하기 위해 중성자 빔으로 고체전해질결정구조 내부의 리튬 양을 파악하고 정량화했다. 그리고 X-선을 통해 고체전해질 표면의 연마 정도에 따른 결정구조 변화량도 살폈다.
이 과정에서 연구팀은 고체전해질 합성에 사용한 리튬의 양과 연마 정도에 따라 고체전해질 표면의 결정구조 일부가 정육면체(입방정계)에서 직육면체(정방정계) 구조로 변화하는 현상을 발견했다. 결정구조가 직육면체로 변한 고체전해질은 이온 전도성이 낮아 음극, 양극과의 저항을 증가시켜 리튬 이온의 원활한 이동을 방해하고, 결국 전기적 단락을 초래했다.
연구팀은 이를 활용해 전해질 표면을 연마하는 과정에서 연마재 회전 속도를 특정 정도로 획기적으로 낮추면 결정구조가 안정적으로 제어되는 것을 확인했다. 고체전해질 제조 단계에서 쇼트가 발생하지 않도록 하는 공정을 만든 것이다.
김형석 책임연구원은 “고도 분석 기술을 활용해 여타 차세대 이차전지 난제 해결에 최선을 다하겠다”며 “전고체 배터리 단락 원인의 규명과 이를 제어하는 기술은 배터리 화재·폭발 방지를 위한 가이드라인을 제시해 줄 것”이라고 말했다.
이번 연구에는 울산과학기술원 정성균 교수팀, 고려대학교 유승호 교수팀, 충북대학교 이동주 교수팀이 공동으로 참여했다.
참고 자료
Advanced Energy Materials(2024), DOI : https://doi.org/10.1002/aenm.202402666