포스텍 화학과 박수진 교수 연구팀이 조창신 배터리공학과·화학공학과 교수 연구팀과 공동으로 맥신(MXene)·실리콘(Si)·은(Ag)을 결합한 박막 하이브리드 계면층을 개발해 황화물계 전고체 배터리의 높은 외부 압력 의존성을 크게 낮추는 데 성공했다. 연구 결과는 국제학술지 Advanced Energy Materials​에 게재됐다.

 황화물계 전고체 배터리는 높은 안전성과 에너지 밀도로 차세대 배터리로 주목받지만, 충·방전 과정에서 전극의 부피가 변하면서 전극과 고체 전해질 사이에 틈이 생겨 성능이 저하되는 문제가 있다. 이를 막기 위해 수십 MPa 수준의 높은 압력을 지속적으로 가해야 하는데, 별도의 가압 장치가 필요해 배터리의 실용화를 어렵게 하는 요인으로 지적돼 왔다. 박수진 교수 연구팀은 리튬 음극과 고체 전해질 사이에 2~4㎛ 두께의 맥신-실리콘-은(MXene-Si-Ag) 하이브리드 계면층​을 도입해 이러한 문제를 해결했다. 맥신은 전극의 부피 변화에 유연하게 대응해 계면의 틈 발생을 억제하고, 실리콘과 은은 계면의 안정적인 전기화학적 작동을 돕는 구조를 형성한다.

그 결과 해당 계면층을 적용한 전고체 배터리는 기존에 요구되던 수십 MPa 수준의 압력 대신 약 0.2 MPa의 초저압에서도 안정적으로 작동하는 것으로 나타났다. 특히 실리콘 소재를 활용한 기존 전고체 배터리가 약 5 MPa의 높은 구동압을 필요로 했던 것과 비교하면 압력 의존성을 크게 낮춘 성과이며, 0.2 MPa 수준의 초저압에서 구동되는 전고체 배터리는 지금까지 보고된 사례가 없었다. 이번 연구는 배터리 내부를 강하게 눌러주는 별도의 장치 없이도 안정적인 계면을 유지할 수 있는 새로운 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 향후 전고체 배터리의 경량화와 시스템 단순화, 전기차 주행거리 향상 등에 기여할 것으로 기대된다.

[발췌: 전자신문]