원자력연, 전고체 배터리 전기적 ‘쇼트’ 원인 규명…세계 처음

전해질 결정구조 변화 원인 규명·제어 방법 제시

한국원자력연구원 홍석재 연구원(제1 저자)이 고체전해질 표면 구조 분석을 위해 X-선 회절장치에 샘플을 로딩하고 있다. (원자력연 제공)/뉴스1

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 전고체 배터리 전기적 단락(쇼트) 유발 원인을 규명해 주목된다.

한국원자력연구원은 김형섭 박사 연구팀이 세계 최초로 전고체 배터리 전해질 결정구조 변화의 정확한 원인을 규명하고, 이를 제어하는 방법을 제시했다고 16일 밝혔다.

전기차 배터리의 안전성 문제가 대두되는 가운데, 화재·폭발 위험이 없어 꿈의 배터리라 불리는 전고체 배터리 연구가 활발하다.

전고체 배터리는 액체 대신 고체를 전해질로 사용해 안전성이 보장된 차세대 배터리지만 전해질의 결정구조가 변하면 순간적으로 많은 전류가 흘러 폭발을 일으킬 수 있는 ‘쇼트’가 일어날 수 있다.

고체전해질의 결정구조가 변하는 원인으로 리튬의 양과 전해질 표면의 연마 정도가 각각 영향을 미치는 것으로 추정되고 있었으나 두 원인의 상관관계나 개선 방법은 알려져 있지 않았다.

이에 연구팀은 전해질 결정구조 변화의 정확한 원인을 규명하기 위해 리튬과 같은 가벼운 원소 분석에 유용한 중성자 빔으로 고체전해질결정구조 내부의 리튬 양을 파악하고 정량화했다.

또 X-선을 통해 고체전해질 표면의 연마 정도에 따른 결정구조 변화량도 정량화하며, 이 과정에서 고체전해질 합성에 사용한 리튬의 양과 연마 정도에 따라 고체전해질 표면의 결정구조 일부가 정육면체(입방정계)에서 직육면체(정방정계) 구조로 변화하는 현상을 발견했다.

복합적인 변수 제어를 통해 결정구조 변화를 유발하는 종합적인 조건을 알아낸 것은 세계 최초다. 이어 결정구조가 직육면체로 변한 고체전해질이 이온 전도성이 낮아 음극, 양극과의 저항을 증가시켜 리튬 이온의 원활한 이동을 방해하고, 결국 전기적 단락을 초래하는 것도 확인했다.

이 밖에도 연구팀은 고체전해질 제조 단계에서 전기적 단락을 예방할 수 있는 개선 공정을 개발했다. 이어 전해질 표면을 연마하는 과정에서 연마재 회전 속도를 특정 정도로 획기적으로 낮추면 결정구조가 안정적으로 제어해 이상 변화가 일어나지 않는 것을 확인했다.

김형섭 원자력연 책임연구원(교신저자). /뉴스1

김형섭 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 연구 결과는 재료 분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스' 온라인에 지난달 실렸다.

memory4444444@news1.kr

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