전고체 배터리 균열 난제 은 나노 코팅으로 풀었다

액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용해 화재 위험이 없고 에너지 밀도가 높은 '전고체 배터리'의 상용화를 앞당길 획기적인 기술이 개발됐다.

18일(현지시각) 과학 전문매체 사이언스데일리에 따르면 스탠포드 대학교 연구진은 고체 전해질 표면에 아주 얇은 은 층을 코팅하는 방식으로, 그동안 최대 걸림돌이었던 '미세 균열' 문제를 해결했다고 밝혔다.

이번 연구 결과는 지난 16일 세계적인 과학 학술지 '네이처 머티리얼즈(Nature Materials)'에 게재되며 학계와 산업계의 이목을 집중시키고 있다.


고체 전해질은 리튬 이온을 잘 전달하지만, 세라믹 소재 특성상 깨지기 쉽다는 치명적인 단점이 있다. 충전과 방전이 반복되면서 발생하는 미세한 균열 사이로 리튬이 침투하면 배터리가 단락되거나 고장이 난다.
사이언스데일리에 따르면 웬디 구 스탠포드대 기계공학과 부교수는 "제조 과정에서 모든 결함을 제거하는 것은 현실적으로 불가능하다"며 "대신 보호막을 씌우는 전략을 택했고, 아주 적은 양의 은만으로도 놀라운 효과를 거두었다"고 설명했다.

연구팀은 'LLZO'라 불리는 고체 전해질 표면에 단 3나노미터 두께의 은층을 입힌 뒤 섭씨 300도로 가열했다. 이 과정에서 은 원자가 리튬 원자를 대체하며 표면 구조를 강화했고, 그 결과 균열 저항성이 기존보다 5배나 높아졌다.


특히 이번 연구는 고속 충전 시 발생하는 배터리 손상을 방지하는 데 탁월한 효과를 보였다. 은 이온(Ag+)이 표면 결함 부위에서 리튬의 비정상적인 침투를 막아주는 일종의 '방패' 역할을 하기 때문이다.

나노 도핑 기술: 은 이온이 전해질 내부 구조를 덜 취약하게 만들어 극한의 전기화학적 조건에서도 안정성을 유지한다.
광범위한 확장성: 이 기술은 리튬 기반 배터리뿐만 아니라 나트륨 배터리 등 다양한 세라믹 소재 전해질에 적용 가능하다.

비용 효율성: 소량의 은으로도 효과를 볼 수 있어 제조 단가 상승을 억제하면서 성능을 극대화할 수 있다.

연구를 주도한 신 쉬 조교수는 "이번 연구는 나노 크기의 은 도핑이 전해질 표면의 물리적 성질을 근본적으로 변화시킬 수 있음을 보여주었다"며 "더 안전하고 내구성이 뛰어난 차세대 배터리 시대를 앞당길 것"이라고 강조했다고 사이언스데일리는 전했다.

연구진은 앞으로 실제 배터리 셀 크기에서의 성능 검증과 함께, 수천 번의 충전 사이클에서도 안정성이 유지되는지를 추가로 연구할 계획이다.


이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com


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