포스텍, 전고체전지 상용화 앞당길 ‘1nm 초박막 보호막’ 개발

황화물계 고체전해질의 고질적 난제인 ‘표면 분해’ 해결… 대량 생산 가능성 열어

전기차 화재 우려를 불식시킬 차세대 배터리인 ‘전고체전지’의 상용화가 한층 빨라질 전망이다. 포스텍 연구팀이 그간 전고체전지 제조의 최대 걸림돌이었던 고체전해질의 표면 분해 문제를 머리카락 굵기의 7만분의 1 수준인 초박막 보호막으로 해결하는 데 성공했다. 포스텍 이상민(배터리공학과·신소재공학과)·박수진(화학과) 교수 공동연구팀은 황화물계 고체전해질 표면에 1나노미터(nm) 두께의 보호막을 입혀 배터리의 제조 안정성과 수명을 동시에 극대화하는 기술을 개발했다고 10일 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 지난해 11월 10일 자 표지 논문으로 게재되며 세계적인 주목을 받았다.

■ ‘액체’ 대신 ‘고체’… 안전성은 높였으나 제조는 난항

전고체전지는 화재 위험이 있는 액체 전해질을 고체로 바꾼 배터리다. 특히 황화물계 전해질은 리튬 이온 이동 속도가 빠르고 전극 밀착력이 좋아 업계에서 가장 상용화에 근접한 기술로 평가받는다.

하지만 황화물계는 수분과 용매에 극도로 취약하다는 치명적인 약점이 있었다. 전극 제조 과정에서 사용되는 액체나 공기 중의 미량 수분만 닿아도 표면이 부식되어 성능이 급격히 저하되기 때문이다. 이로 인해 관련 연구가 활발함에도 불구하고, 대부분 실험실 수준의 소형 전지에 머물러 대량 생산으로 이어지기 어려운 실정이었다.

■ 1nm 보호막으로 ‘이온 통로’와 ‘안정성’ 동시 확보

연구팀은 이를 해결하기 위해 물을 밀어내는 성질을 가진 ‘플루오로카본’ 분자를 활용했다. 고체전해질 표면에 이 분자들이 스스로 달라붙게 하여 단 1nm 두께의 균일한 보호막을 형성한 것이다.

이 보호막은 눈에 보이지 않을 만큼 얇지만, 외부 수분과 용매는 효과적으로 차단한다. 동시에 리튬 이온이 오가는 통로는 그대로 열어두어 배터리 성능은 유지했다. 연구팀에 따르면, 해당 기술을 적용한 배터리는 1시간 만에 완전히 충·방전하는 빠른 속도에서도 안정적으로 작동했다. 또한 300회 충·방전 반복 후에도 초기 저장 용량의 90.5%를 유지하는 등 상용화 필수 기준을 충족했다.

보호막 유무에 따른 전고체전지 양극 내부 차이. (a) 보호막이 없는 고체전해질은 용매에 의해 표면이 망가져(붉은색) 리튬 이온이 지나가는 길이 막히고 낮은 압력에서는 전극과의 접촉마저 벌어져 성능이 급격히 떨어진다. (b) 보호막을 입힌 고체전해질(파란색)은 표면이 안정적으로 유지돼 빠른 충방전에서도 리튬 이온이 원활히 이동하고 낮은 압력에서도 접촉이 유지된다. 포스텍 제공
 

■ 단순 공정으로 대량 생산 ‘청신호’

이번 기술의 또 다른 강점은 ‘공정의 확장성’이다. 분자가 스스로 표면에 붙는 ‘자기조립(Self-assembly)’ 방식을 채택했기 때문에 복잡한 장비 없이도 넓은 면적의 전극에 보호막을 입힐 수 있다.

박수진 교수는 “이번 기술은 공정이 단순해 대량 생산에 매우 유리하다”며 “전고체전지의 제조부터 구동까지 이어지는 안정성을 모두 확보했다는 데 의의가 있다”고 설명했다.

업계 전문가들은 이번 포스텍의 연구가 차세대 전기차 시장의 핵심인 전고체전지 대량 생산 체제 구축을 앞당기는 핵심적인 돌파구가 될 것으로 기대하고 있다.

<참고>
doi.org/10.1002/aenm.202503019