전기차 배터리 안전성 문제가 대두되는 가운데, 꿈의 배터리인 '전고체 배터리'의 전기적 단락(쇼트) 원인을 찾아냈다.
한국원자력연구원은 김형섭 박사팀이 세계 최초로 전고체 배터리 전해질 결정구조 변화 원인을 규명하고, 제어 방법을 제시했다고 16일 밝혔다.
전고체 배터리는 액체 대신 고체를 전해질로 사용해 안전성이 보장된 차세대 배터리이지만, 전해질 결정구조가 변하면 순간적으로 많은 전류가 흘러 쇼트가 발생하고 폭발을 일으킬 수 있다. 고체전해질 결정구조 변화 원인으로는 리튬 양과 전해질 표면 연마 정도가 영향을 미치는 것으로 추정되나, 그 상관관계나 개선 방법은 알려져 있지 않았다.
연구팀은 중성자 빔으로 고체전해질결정구조 내부 리튬 양을 정량화했다. 그리고 X-선으로 고체전해질 표면 연마 정도에 따른 결정구조 변화량도 정량화했다.
이 과정에서 고체전해질 합성에 사용한 리튬 양과 연마 정도에 따라 고체전해질 표면 결정구조 일부가 정육면체(입방정계)에서 직육면체(정방정계) 구조로 변화하는 현상을 발견했다. 복합적인 변수를 제어해 결정구조 변화 유발 조건을 알아낸 것은 세계 최초다.
결정구조가 직육면체로 변한 고체전해질은 이온 전도성이 낮아 음극·양극과의 저항을 증가시켜 원활한 리튬 이온 이동을 방해하고, 쇼트를 초래하는 것도 확인했다.
이에 더해 고체전해질 제조 단계에서 쇼트를 예방할 수 있는 개선 공정을 개발했다. 전해질 표면 연마 과정에서 연마재 회전 속도를 특정 정도로 획기적으로 낮추면 결정구조가 안정적으로 제어돼 이상 변화가 일어나지 않는 것을 확인했다.
김형섭 박사는 “전고체 배터리 쇼트 원인 규명과 제어 기술 구현은 배터리 화재·폭발 방지를 위한 가이드라인을 제시해 줄 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 과학기술사업화진흥원 학연협력플랫폼구축 시범사업 지원을 받았으며, 결과는 어드밴스드 에너지 머티리얼즈에 9월 온라인으로 공개됐다. 연구에는 정성균 울산과학기술원(UNIST) 교수팀, 유승호 고려대 교수팀, 이동주 충북대 교수팀도 참여했다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
