건국대 KU융합과학기술원 김기재 교수(미래에너지공학과) 연구팀과 전자기술 연구원 조우석 박사(차세대전지연구센터) 연구팀이 ‘공간전하층’ 생성 제어 기술을 개발했다

건국대학교는 건국대 KU융합과학기술원 김기재 교수(미래에너지공학과) 연구팀과 전자기술 연구원 조우석 박사(차세대전지연구센터) 연구팀이 황화물계 전고체 전지에서 양극과 고체전해질 계면에서 성능 열화를 유발하는 원인 중 하나로 알려진 공간전하층(Space-Charge Layer) 생성을 획기적으로 제어할 수 있는 기술을 개발했다고 29일 발표했다.

연구 결과는 에너지화학 분야의 세계적인 학술지 ‘Advanced Energy Materials (IF=29.368)’에 지난달 16일 온라인 게재됐으며, 이 논문의 제1 저자는 KU융합과학기술원 미래에너지공학과 박사과정 1년 차 박보근 학생(김기재 교수 연구팀)이다.

공간전하층은 종류가 다른 두 물질의 계면에서 전자나 이온의 이동으로 생성되는 얇은 절연층을 말한다. 황화물계 전고체 전지에 사용되는 양극 소재는 산화물계이고, 고체전해질은 황화물계이기 때문에 두 물질이 접하는 계면에서는 공간전하층이 발생하게 되며 이는 높은 계면 저항을 유발하기에 전고체 전지의 성능과 수명 특성의 열화를 일으키는 원인 중 하나로 알려져 있다.

그런데 이번 연구는 공간전하층(Space-Charge Layer) 생성을 획기적으로 제어할 수 있는 기술을 개발함으로써 액체 전해질을 사용하는 리튬이차전지 성능과 유사한 황화물계 전고체 전지 개발에 성공했다.

그동안 기존 연구는 단순히 유전체 물질을 도입하면 공간전하층 생성을 완화할 수 있다는 단순 접근법을 통한 연구가 주를 이뤘다. 그러나 이번 연구팀은 유전체 물질마다 고유 특성이 다르기 때문에 공간전하층 생성을 완화하는 데 있어 유전체 물질의 고유 특성이 영향을 크게 미칠 것으로 판단했고, 이에 따라 다양한 종류의 유전체 물질들을 이용해 유전체 물질의 유전 상수 크기가 공간전하층 생성 완화에 미치는 영향과 상유전체 및 강유전체 물질이 공간전하층 생성 완화에 미치는 영향을 완전히 규명했다.

더 나아가 연구팀은 해당 연구에서 발견한 내용을 토대로 공간전하층 생성을 최소화할 수 있는 최적화된 유전체 물질을 황화물계 전고체 전지에 적용해 상용 LIB 수준의 성능과 동등 수준의 황화물계 전고체 전지 개발에 성공했다.

이번 연구는 황화물계 전고체 전지 양극과 고체전해질 계면에서 발생하는 공간전하층 생성을 제어할 방안을 체계적으로 제시하고 있어, 향후 황화물계 전고체 전지 양극과 고체전해질 계면 설계의 중요한 가이드라인으로서 핵심적인 역할을 할 수 있을 것이라 기대된다.

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