최근 잇단 전기자동차 배터리 화재로 전고체배터리에 대한 관심이 높다.
전고체배터리는 액체전해질이 없어 누액에 따른 화재 위험이 상대적으로 적고, 저온이나 고온에서 전도성이 좋은 장점을 갖는다.
그러나 전고체배터리의 고체전해질은 표면 결정구조가 변할 때 순간적으로 과전류가 생기며 쇼트를 유발, 폭발할 위험성이 있다.
고체전해질 결정구조가 변하는 원인은 리튬의 양과 전해질 표면 연마 정도가 서로 영향을 주기 때문으로 추정되지만, 정확한 상관관계와 개선방법은 밝혀지지 않았다.
전고체배터리 쇼트 원인 세계 최초 규명
한국원자력연구원(이하 원자력연) 김형섭 박사팀이 세계 최초로 전고체배터리 전해질 결정구조 변화의 정확한 원인을 규명하고 제어방법을 제시했다.
연구팀은 리튬 등 가벼운 원소 분석에 유리한 중성자빔으로 고체전해질 결정구조 내부 리튬 양을 파악하고 정량화했다. 이어 X-선으로 고체전해질 표면 연마 정도에 따른 결정구조 변화량을 정량화했다.
이 결과 고체전해질 합성에 사용한 리튬의 양과 연마 정도에 따라 고체전해질 표면 결정구조 일부가 정육면체에서 직육면체 구조로 변하는 현상을 발견했다.
결정구조가 직육면체로 변한 고체전해질은 이온전도성이 낮아 양 극과의 저항을 증가시켜 리튬이온의 원활한 이동을 방해하고 전기 단락을 초래했다.
이처럼 복합적 변수제어로 결정구조 변화를 유발하는 종합적 조건을 알아낸 것은 세계 최초다.
아울러 연구팀은 고체전해질 제조 때 전해질 표면을 연마하는 과정에서 연마재 회전속도를 특정하게 낮추면 결정구조가 안정적으로 제어되면서 직육면체로 변화지 않음을 확인했다. 이를 적용하면 전기 단락에 따른 폭발을 예방할 수 있다.
이번 연구결과는 지난달 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 온라인판에 제목 ‘기계적 응력에 의한 산화물계 가넷 고체전해질 내 리튬 삽입 및 이로 인한 표면구조 변화에 따른 전기적 단락 규명’으로 게재됐다.
한편, 이번 연구는 원자력연과 UNIST 정성균 교수팀, 고려대 유승호 교수팀, 충북대 이동주 교수팀이 참여했다.
