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전기차에 쓰이는 배터리 화재 위험을 줄일 수 있는 전고체전지 상용화의 걸림돌이던 고체 전해질 표면 분해 문제가 머리카락 굵기의 7만분의 1에 불과한 초박막 보호막 하나로 해결됐다.

이상민 배터리공학과·신소재공학과 교수와 박수진 화학과 교수 공동연구팀이 황화물계 고체전해질 표면에 약 1나노미터(nm, 10억분의 1미터) 두께의 보호막을 입혀 제조 안정성과 배터리 수명을 동시에 높이는 기술을 개발했다. 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'에 지난해 11월 10일(현지시간) 표지 논문으로 게재됐다. 전고체전지는 불이 붙을 수 있는 액체 전해질을 고체로 바꿔 화재 위험을 줄인 배터리다. 전고체전지에 쓰이는 고체 전해질 가운데 황화물 계열은 리튬 이온이 빠르게 이동하고 전극과 잘 밀착돼 상용화에 가장 가까운 소재로 꼽힌다. 2020년 삼성전자와 삼성SDI가 황화물계 전고체전지 기술을 공개한 뒤 관련 연구가 급격히 늘었지만 대부분 실험실용 소형 전지에 머물러 대규모 양산하기에는 무리가 있다. 가장 큰 문제는 황화물계 전해질이 수분과 용매에 극도로 약하다는 점이다. 배터리 양극을 만들 때 재료를 섞는 데 쓰는 액체나 공기 중 극미량의 수분만 닿아도 전해질 표면이 망가져 성능이 떨어진다. 배터리를 다 만들기도 전에 핵심 소재가 못 쓰게 되는 셈이다. 실사용할 때처럼 세게 눌러주지 않는 조건에서는 전극과 전해질이 서로 벌어지면서 성능이 더 빠르게 나빠졌다. 연구팀은 물을 튕겨내는 성질이 있는 플루오로카본 분자를 고체전해질 표면에 스스로 달라붙게 해 약 1nm 두께의 보호막을 만들었다. 눈에 보이지 않을 만큼 얇지만 용매와 수분을 효과적으로 막아주면서 리튬 이온이 오가는 통로는 그대로 열어두는 구조다.

보호막을 입힌 전해질로 만든 배터리는 1시간 만에 완전히 충방전하는 빠른 속도에서도 안정적으로 작동했다. 기존 리튬이온배터리처럼 세게 눌러주지 않아도 전극과 전해질이 잘 붙어 있었다. 완성된 배터리로 300번 충전과 방전을 반복한 뒤에도 처음 저장 용량의 90.5%가 남아 전고체전지가 실제 제품으로 나오기 위해 넘어야 할 수명과 저장 용량 기준을 동시에 통과했다. 이상민 교수는 "고체전해질 표면을 안정화하면 전극 제작부터 구동까지 이어지는 안정성을 확보할 수 있음을 확인했다"고 말했다. 박수진 교수는 "분자가 스스로 달라붙는 방식이라 공정이 단순하고 넓은 면적의 전극 제조로 확장할 수 있어 대량 생산에도 유리하다"고 덧붙였다.