원자력硏, 전고체 배터리 ‘쇼트’ 유발 원인규명

전고체 배터리의 ‘전기적 단락(쇼트)’을 유발하는 원인이 규명됐다.

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

연구팀이 고체전해질 표면 구조 분석을 위해 X-선 회절 장치에 샘플을 로딩하고 있다. 한국원자력연구원 제공

전고체 배터리는 양극과 음극, 리튬이온이 이동하는 고체 전해질 등으로 구성된다. 액체 대신 고체를 전해질로 사용해 안전성이 보장된다는 점에서 차세대 배터리로도 주목받는다.

하지만 고체 전해질 표면의 결정구조가 변하면, 양극과 고체 전해질의 접촉면에 전류가 고르지 않게 흘러 과전류가 흐르는 전기 단락을 유발한다는 점은 해결과제로 남았다.

반면 리튬 양과 전해질 표면의 연마 정도에 따라 고체 전해질의 결정구조가 변하는 것으로 추정되지만, 두 원인의 상관관계나 개선 방법은 그간 제시된 바 없다.

이에 연구팀은 전해질 결정구조 변화의 정확한 원인을 규명하기 위해 고체 전해질 결정구조 내부의 리튬 양은 중성자 빔으로, 고체 전해질 표면의 연마 정도에 따른 결정구조 변화량은 X-선으로 각각 정량화했다.

이 결과 고체 전해질 합성에 사용한 리튬의 양과 연마 정도에 따라 고체 전해질 표면의 결정구조 일부가 정육면체(입방정계)에서 직육면체(정방정계) 구조로 변화하는 현상을 확인할 수 있었다는 게 연구팀의 설명이다. 복합적인 변수 제어로 결정구조 변화를 유발하는 종합적인 조건을 알아낸 것은 세계 최초의 사례다.

특히 연구팀은 결정구조가 직육면체로 변한 고체 전해질의 경우 이온 전도성이 낮아 음극, 양극과의 저항을 증가시켜 리튬 이온의 원활한 이동을 방해하고, 전기적 단락을 초래하는 것을 확인해 고체 전해질 제조단계에서 전기적 단락을 예방할 수 있는 개선 공정을 개발했다.

전해질 표면을 연마하는 과정에서 연마재 회전 속도를 획기적으로 낮추면 결정구조가 안정적으로 제어돼 이상 변화가 일어나지 않는다는 것을 확인해 얻은 결과물이다.

김 박사는 “연구팀의 연구 결과는 전고체 배터리 단락 원인을 규명하고, 이를 제어하는 기술을 제시함으로써 배터리 화재·폭발 방지를 위한 일종의 가이드라인을 마련했다는 데 의미가 있다”고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 과학기술정보통신부 과학기술사업화진흥원 학연협력플랫폼구축 시범사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구논문은 지난달 재료 분야 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr