한민일보 서울포커스 박근원 기자 | 전기자동차(EV), 에너지저장장치(ESS) 및 항공 모빌리티 산업이 급속히 성장하면서, 고에너지·고출력 밀도를 동시에 만족하는 차세대 전지 기술이 핵심 경쟁력으로 부상하고 있다.

특히 높은 안전성과 이온전도도를 지닌 황화물계 전고체전지가 상용화의 유력 후보로 주목받고 있다.

황화물계 고체전해질은 빠른 리튬이온 전도와 우수한 기계적 순응성(mechanical compliance) 덕분에 액체전해질 대비 실리콘 음극재의 부피변화를 완화하고 계면 안정성을 향상시킬 수 있다.

그럼에도, 실리콘 음극재의 급격한 팽창·수축 거동은 여전히 전극–전해질 간 접촉 손실, 계면 저항 증가, 구조 붕괴로 이어져 고속 방전 및 충전 구간에서 전력 손실과 수명 저하를 초래한다.

이로 인해 실리콘 음극재 기반 황화물계 전고체전지는 높은 이론용량(3590 mAh g⁻¹)의 잠재력에도 불구하고 상용화에 중요한 장벽을 안고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 경상국립대학교 공과대학 나노신소재공학부 성재경 교수 연구팀은 황화물계 전고체전지에서 실리콘 음극재의 고출력·고속충전 한계와 저하 요인을 심층적으로 분석하고 이를 극복하기 위한 설계 전략을 발표했다.

연구팀은 최근 보고된 실험 및 문헌 데이터를 종합 분석해, 실리콘 음극재 기반 황화물계 전고체전지의 고출력·고속충전을 제한하는 주요 요인을 ▲실리콘 음극재–고체전해질 반응 ▲이온·전자 전달의 불균형 ▲전극 내부 응력 축적 ▲스택 압력 의존성 등으로 구체화했다.

이어서 ▲실리콘 입자 크기 및 형상 제어 ▲고체 전해질의 입도와 결정 그리고 조성 최적화 ▲복합전극 내 전하 수송 경로 설계 ▲전도성 중간막 및 집전체 표면공학 등 전극·전해질·계면 수준의 다층적 최적화 전략을 제시했다.

제1저자인 대학원생 김석진 씨는 “황화물계 전해질은 높은 이온전도도와 유연성을 바탕으로 실리콘 전극의 안정화에 유리하지만, 여전히 부피변화로 인한 미세 접촉 손실과 계면 저항 누적이 고출력·고속충전을 제약하고 있다.”라며 “이번 논문은 이러한 병목현상을 정량·정성적으로 분석하고, 소재–전극–셀 설계의 통합적 방향을 제시한 리뷰라는 점에서 의미가 크다.”라고 밝혔다.

이번 연구는 황화물계 전고체 실리콘 음극재 기반 전지의 고출력·고속충전 구현을 위한 종합적 관점과 구체적 설계 로드맵을 제시함으로써, 향후 폭발 없는 안전한 전기차 및 대형 에너지저장시스템 분야의 실용화를 앞당길 핵심 기초자료로 평가된다.

이 논문은 국제 우수 학술지인 《어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)》(IF: 26.0, JCR: 2.1%)에 ‘실리콘 기반 전고체전지의 고출력 구현을 위한 한계 분석과 설계 방향(The Pursuit for High Power Density in Silicon-Based ASSBs: Insights Into Limitations and Perspectives)’이라는 제목으로 11월 10일에 사전 게재됐다.