수분 한 방울에도 망가지는 전고체전지, 복구까지 가능해졌다

하이커뮤니티매니져 0 2 04:37

배터리 충전을 나타낸 이미지. 게티이미지뱅크

국내 연구팀이 공기 중 아주 미세한 수분에도 쉽게 손상되던 전고체전지가 다시 원래 성능을 되찾게 하는 기술을 개발했다.

포스텍은 이상민 배터리공학과·신소재공학과 교수, 고수미 배터리공학과 통합과정생, 조창신 배터리공학과·화학공학과 교수, 정혜빈 화학공학과 박사과정생 연구팀이 ‘프러시안 블루 유사체(PBA)’를 활용해 손상된 황화물계 고체전해질의 성능을 되살리는 기술을 개발했다고 13일 밝혔다. 연구 성과는 전고체전지 상용화를 앞당길 핵심 기술로 평가받으며 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 온라인판에 게재됐다.

프러시안 블루 유사체는 금속과 시안화이온(CN⁻)이 규칙적으로 연결된 격자 구조의 결정체로 푸른 빛을 띤다. 전지 재료·촉매·흡착제 등으로 활용되는 다기능성 물질이다. 내부에 물과 기체를 흡수할 수 있는 구조로 수분에 의한 손상을 막을 뿐 아니라 이미 열화된 전해질의 성능을 회복시키는 역할까지 수행할 수 있다.

전고체전지는 액체 대신 고체 전해질을 사용하기 때문에 폭발 위험이 적고 수명이 길다. 특히 ‘황화물계 전해질’을 이용하는 전지는 이온전도도가 높고 전극과의 접착력이 우수해 전고체전지의 유망한 소재로 꼽힌다. 문제는 황화물계 전해질이 공기 중 극소량의 수분에도 쉽게 반응해 성능이 급격히 떨어지고 그 과정에서 황화수소(H₂S)와 일산화탄소(CO) 같은 독성 가스가 발생한다는 점이다.

포스텍 연구팀은 특정 황화물계 전해질에 PBA를 첨가해 전지를 만들었다. 복합 전해질을 제작한 것이다. 실험 결과 PBA를 4% 정도 첨가한 전해질은 기존 전고체전지와 유사한 수준의 높은 이온전도도를 유지하면서 수분에 노출됐을 때 황화수소 발생량이 4분의 1, 일산화탄소는 10분의 1 수준으로 줄었다.

또한 개발한 전지는 500회의 충·방전 이후에도 초기 용량의 85.4%를 유지하는 등 우수한 전기화학적 성능을 보였다. 동일한 노출 조건에서 기존 황화물계 전해질이 100회의 충·방전 이후 79.3%에 그친 것과 비교해 현저히 개선된 결과다.

더 주목할 점은 이미 수분에 노출돼 손상된 전고체전지의 전해질에 단순히 PBA를 섞는 것만으로 복구됐다는 사실이다. 5%의 상대습도 환경에서 6시간 노출된 전해질은 10회의 충·방전 후 급격히 용량이 감소했다. 하지만 망간 기반 PBA를 전해질에 혼합했더니 500회의 충·방전 동안 99.9%의 쿨롱 효율과 95.2%의 용량 유지율을 기록했다. 쿨롱 효율은 배터리가 얼마나 효율적으로 전기를 저장하고 꺼내 쓰는가를 나타내는 수치다.

조창신 교수는 “PBA는 단순한 보호제를 넘어 손상된 전해질을 ‘되살리는’ 새로운 역할을 한다”며 “전고체전지 상용화를 앞당길 중요한 전환점이 될 것”이라고 말했다.

이상민 교수는 “개발한 기술은 습도에 민감한 황화물계 소재의 생산 신뢰성을 크게 높일 수 있다”고 밝혔다.

https://m.dongascience.com/news.php?idx=75061

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