차세대 배터리로 불리는 전고체 배터리의 폭발 위험 원인을 국내 연구진이 밝혀냈다. 전고체 배터리는 현재 전기자동차에 널리 쓰이는 리튬이온 배터리에 비해 화재와 폭발 위험이 없는 것으로 알려졌지만 순간적으로 많은 전류가 흐르는 전기적 단락(쇼트) 현상이 발생해 폭발로 이어질 가능성은 여전히 남아 있는 상황이다.
홍석재 한국원자력연구원 연구원이 고체 전해질 표면 구조 분석을 위해 X선 회절 장치로 고체 전해질 시료를 분석하고 있다. 사진 제공=한국원자력연구원한국원자력연구원은 김형섭 중성자과학부 책임연구원 연구팀이 세계 최초로 전고체 배터리의 전해질 결정구조 변화 원인을 규명하고 이를 제어할 방법을 제시했다고 16일 밝혔다. 연구 성과는 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’에 지난달 게재됐다.
전고체 배터리는 전기 입자인 이온이 이동하는 통로인 전해질이 고체로 이뤄져 있다. 고체 전해질의 결정구조가 변하면 전류가 고르지 않게 흘러 과다한 전류가 흐르는 전기적 단락이 발생할 수 있다.
연구팀은 전해질 결정구조 변화의 정확한 원인을 규명하기 위해 리튬과 같은 가벼운 원소 분석에 유용한 중성자 빔으로 고체 전해질 결정구조 내부의 리튬양을 파악하고 정량화했다. X선을 통해 고체 전해질 표면의 연마 정도에 따른 결정구조 변화량도 정량화했다.
그 결과 결정구조 일부가 정육면체에서 직육면체 구조로 변화하는 현상이 발견됐다. 결정구조가 직육면체로 변한 고체 전해질은 이온 전도성이 낮아 음극·양극과의 저항을 증가시킨다. 이는 리튬 이온의 원활한 이동을 방해하고 결국 전기적 단락을 초래하는 것으로 밝혀졌다.
연구팀은 고체 전해질 제조 단계에서 전기적 단락을 예방할 수 있는 개선 공정도 개발했다. 전해질 표면을 연마하는 과정에서 연마재 회전 속도를 특정 정도로 획기적으로 낮추면 결정구조가 안정적으로 제어돼 이상 변화가 일어나지 않는 것을 확인했다. 김 책임연구원은 “전고체 배터리 단락 원인의 규명과 이를 제어하는 기술은 배터리 화재·폭발 방지를 위한 가이드라인을 제시해줄 것”이라며 “고도 분석 기술을 활용해 차세대 2차전지와 관련한 난제들을 풀고자 한다”고 말했다.
