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(왼쪽부터) GIST 화학과 김상륜 교수, 이상호 석사과정생

[투데이에너지 김원빈 기자] 광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 화학과 김상륜 교수 연구팀이 한국전자기술연구원(KETI), 일본 교토대학교와의 공동연구를 통해 전고체전지의 안정성과 수명을 높일 수 있는 새로운 계면 안정화 원리를 규명했다고 11일 밝혔다.

연구팀은 수소를 많이 포함한 특수 이온인 ‘BH4−(보로하이드라이드 이온)’를 아지로다이트 구조 고체전해질에 적용해, 이 이온이 배터리 내부에서 전극과 전해질 사이를 보호하는 얇은 층을 형성한다는 사실을 확인했다.

전고체전지는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용해 화재 위험이 낮고 에너지밀도가 높은 차세대 배터리로 주목받고 있다. 다만 기존 아지로다이트 고체전해질은 충·방전 과정에서 리튬 금속과 직접 반응하며 ‘덴드라이트’가 발생하고, 불안정한 화학 반응이 이어지는 문제가 있었다.

연구 결과 BH4− 이온은 충·방전 초기 단계에서 리튬 금속과 먼저 반응해 안정적인 보호막을 형성했다. 이 보호막은 불필요한 화학 반응과 열 발생을 줄이는 동시에 리튬 이온 이동은 원활하게 유지해 배터리 안정성을 높이는 역할을 했다.

실제로 연구팀은 높은 전류 조건에서 1000회 이상 충·방전을 반복한 실험에서도 충·방전 효율(쿨롱 효율)이 100%에 가까운 수준으로 유지되는 것을 확인했다. 연구팀은 이번 기술이 전고체전지의 수명 향상과 화재 위험 저감에 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

김상륜 교수는 “고수소밀도 착음이온이 전해질과 음극 계면에서 어떻게 작동하는지를 규명하고, 리튬 메탈과 안정적으로 반응할 수 있는 새로운 계면 설계 방향을 제시했다는 점에서 의미가 있다”고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 Advanced Science에 5월 9일 온라인 게재됐다.

■용어설명

전고체전지=액체 대신 고체 전해질을 사용하는 차세대 배터리

아지로다이트 고체전해질=리튬 이온 이동 속도가 빠른 고체 전해질 소재

덴드라이트=배터리 내부에 생기는 나뭇가지 형태 결정체

BH4− 이온=수소를 많이 포함한 특수 음이온

쿨롱 효율=충전한 전기를 얼마나 효율적으로 방전하는지 나타내는 지표

출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)