경상국립대학교(총장 권진회)는 신소재공학부 성재경 교수 연구팀이 전고체전지의 핵심 소재인 고함량 니켈계 양극과 황화물계 고체전해질 사이에서 발생하는 계면 열화 문제를 종합적으로 분석하고 이를 해결하기 위한 계면공학 설계전략을 제시했다고 19일 밝혔다.
니켈계 양극재는 높은 작동 전압과 우수한 용량 특성으로 전기차 및 차세대 고에너지 배터리의 핵심 양극 소재로 활용된다. 니켈 함량을 높일수록 더 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 전고체전지에서도 유망한 양극 소재로 평가된다.
다만 니켈 함량이 높은 양극 소재는 충·방전을 반복하면 표면 구조가 무너지거나 산소가 빠져나오고 내부에 미세한 균열이 생기면서 성능이 떨어지는 문제가 있다. 리튬이온전지와 달리 양극과 고체전해질이 고체 상태로 직접 맞닿아 있기 때문에 두 소재 사이 접촉이 조금만 나빠져도 리튬 이온 이동이 어려워지고 전지 성능 저하로 이어질 수 있다.
성재경 교수 연구팀은 이번 논문에서 니켈계 양극과 황화물계 고체전해질 사이에서 발생하는 주요 문제를 종합적으로 분석했다. 대표적으로 양극과 고체전해질 사이에서 리튬 이온 이동이 방해받는 현상, 고전압에서 고체전해질이 분해되어 저항층이 생기는 현상, 충·방전 중 양극 입자에 균열이 생겨 접촉이 끊어지는 현상 등이 있다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위한 핵심 전략으로 양극 표면을 보호하는 코팅 기술을 제시했다. 코팅층은 양극과 고체전해질이 직접 반응하는 것을 줄이고 리튬 이온이 안정적으로 이동할 수 있도록 돕는 보호막 역할을 한다.
논문은 산화물, 인산염계 물질, 고체전해질 기반 물질 등 다양한 코팅 소재의 장단점을 비교하고 좋은 코팅층이 갖춰야 할 조건을 정리했다. 코팅층은 화학적으로 안정해야 할 뿐만 아니라 리튬 이온은 잘 통과시키고 불필요한 전자 이동은 막아야 하며 충·방전 중 발생하는 균열과 박리에도 견딜 수 있어야 한다고 강조했다.
이번 연구는 국제 저명 학술지인 '저널 오브 에너지 케미스트리(Journal of Energy Chemistry)'에 5월 9일자로 발표됐다
성 교수는 “이번 연구는 고에너지 니켈계 양극을 전고체전지에 안정적으로 적용하기 위한 계면공학 설계 기준을 제시했다는 점에서 의미가 있다”면서 “향후 피지컬 AI, 전기차, 로봇, 항공·모빌리티 분야에서 요구되는 고안전성·고에너지 밀도 배터리를 구현하기 위해서는 소재 성능뿐 아니라 계면 안정성, 전극 구조, 제조 공정까지 통합적으로 설계하는 접근이 필요하다”고 설명했다.
진주=노동균 기자 defrost@etnews.com
