[POSTECH · KAIST, 고분자 물질과 황화물 고체 전해질 간 상호작용 규명]

가족과 친구, 동료 등 사람들은 사회에서 다양한 인간관계를 맺으며 살아간다. 이러한 관계는 삶에서 매우 큰 부분을 차지하지만, 너무 가깝게 지내면 서로에 대한 감정이 격해지거나 갈등이 생길 수 있기 때문에 적당한 거리를 유지해야 한다. 그런데, 최근 화학 세계에서도 이처럼 적당한 거리를 유지해 전기자동차의 배터리 성능을 높인 흥미로운 연구가 발표됐다.

화학과 박수진 교수 · 조성진 박사 · 박사과정 송영진 씨는 KAIST(한국과학기술원) 생명화학공학과 임성갑 교수팀과의 공동연구를 통해 황화물계 전고체(all-solid-state) 배터리에서 음극을 안전하게 구동시킬 수 있는 고분자 보호막을 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 온라인판에 최근 게재됐다.

전기자동차의 경쟁력은 주행거리와 충전 속도에 달려있다. 이 두 가지 요소 모두 배터리의 성능에 직접적으로 영향을 받기 때문에 현재 배터리 연구가 매우 활발하게 진행되고 있다. 전기자동차의 안정성 또한 중요한 요소인데, 현재 상용화된 리튬(Li) 이온 배터리는 액체 전해질과 고분자 분리막을 포함해 온도 변화와 외부 충격에 취약하다는 단점이 있다.

이를 보완하기 위해 최근 액체 전해질과 고분자 분리막 역할을 동시에 할 수 있는 고체 전해질 기반의 전고체 배터리가 떠오르고 있다. 황화물계 고체 전해질은 이온 전도성(2.5×10-2S/cm)이 높고, 이를 활용한 배터리 조립 공정도 매우 간단하다. 하지만 전극 활물질과 전해질이 직접 맞닿은 계면이 화학적 · 전기화학적으로 불안정해 배터리 내부 저항을 높이고, 성능을 떨어뜨리는 문제가 있었다.

이번 연구에서 연구팀은 이를 해결하기 위해 배터리 내 음극과 전해질 간 직접적인 접촉을 막아줄 수 있는 고분자 물질을 도입했다. 연구팀은 화학적 기상 증착(iCVD) 공정을 통해 서로 다른 극성을 가진 여덟 가지의 고분자 물질로 100 nm(나노미터) 두께의 균일한 음극 코팅막을 만들었다.

연구팀은 음극 코팅용 고분자 박막 8종을 사용해 계면 안정성과 배터리 성능을 평가했다. 그 결과, –COOH와 C-F 결합을 포함하는 고분자(pAA^*1, pC6FA^*2)로 만든 박막이 전고체 배터리 음극과 전해질 사이의 계면 안정성을 효과적으로 높였다. 또, 이를 적용한 전고체 배터리는 100회 이상 작동한 후에도 높은 용량 유지율(pAA: 64.8%, pC6FA: 50.7%)을 기록했으며, 이는 음극이 코팅되지 않은 기존 전고체 배터리 용량 유지율이 29.0%였던 것에 비해 매우 향상된 결과다.

현재까지 황화물계 전고체 배터리 분야에서 이러한 고분자 물질에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았는데, 고분자 물질과 황화물 고체 전해질 간 상호작용을 밝혀냈다는 점에서 이번 연구는 큰 의의가 있다.

박수진 교수는 “황화물계 전고체 배터리의 장기 안정성을 높일 수 있다는 새로운 가능성을 보였다”며, “이번 연구가 차세대 배터리 기술인 황화물 전고체 배터리 연구의 획기적인 전환점이 될 것이다”라고 전했다.

한편, 이번 연구는 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원 사업의 지원으로 수행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202314710

1. pAA
폴리아크릴산(poly(acryl acid))

2. pC6FA
폴리퍼플루오로헥실(poly((perfluorhexyl)ethyl acrylate))