전고체전지 최대 약점 수분, 초박막으로 해결

POSTECH은 전고체전지에 쓰이는 황화물계 고체 전해질을 새롭게 디자인하는데 성공했다고 10일 밝혔다. 전고체전지는 화재 위험이 없고 성능이 뛰어나 꿈의 배터리'로 불린다. 그러나 만들기가 너무 어렵다. 유기용매나 공기 중 미량 수분만으로도 표면이 쉽게 분해되기 때문이다. 마치 모래성이 물에 닿으면 무너지듯, 배터리를 완성하기도 전에 성능이 뚝뚝 떨어진다. 연구팀은 '초박막 보호막'으로 이 문제를 해결했다. 성능도 개선했다. 황화물계 고체전해질(LPSCl1) 표면에 플루오로카본(–CF₃) 말단을 가진 '자가조립 단분자층'을 형성시킨 것. 두께 약 1nm 수준의 보호막을 만들었다. 이 막은 유기용매와 수분을 효과적으로 차단하면서도 전해질 내부 구조와 리튬이온 전도 성능은 그대로 유지한다. 이 보호막은 전기화학적 안정성도 크게 높이는 것으로 확인됐다. 분석 결과, 1.0C-레이트의 빠른 충·방전 조건에서 배터리가 안정적으로 작동했다. 코인 셀 수준의 낮은 압력(≈0.3 MPa)에서도 전극 내부 접촉 손실을 효과적으로 줄이며 성능을 유지했다. C-레이트는 배터리 분야서 쓰는 충·방전 속도단위다. 1C는 배터리를 한 시간에 완전히 충전 및 방전 속도를 말한다. 0.5C는 두 시간에 완전히 충·방전하는 속도다. 연구팀은 완전한 배터리 셀 실험에서 300번 충·방전을 반복한 뒤에도 초기 용량의 90.5%를 유지했다. 이상민 교수는 "에너지밀도와 장수명을 동시에 확보해야 하는 전고체전지 상용화의 핵심 기준을 충족했다"며 "고체전해질 표면 안정화가 전극 제작부터 실제 구동까지 이어지는 계면 안정성을 확보했다. 전고체전지 공정 신뢰성과 저압 구동 내구성을 높일 수 있을 것"으로 기대했다. 박수진 교수는 “자가조립 단분자층 기반 표면처리는 공정이 단순하고 대량 생산이 가능해 대면적 전극 제조로 확장할 수 있다”고 덧붙였다.