【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=전기차 화재 위험을 근본적으로 줄일 수 있는 ‘꿈의 배터리’ 전고체전지 상용화에 한 걸음 더 다가서는 연구 성과가 나왔다. 눈에 보이지 않을 정도로 얇은 초박막 보호막이 배터리 성능과 안정성을 동시에 끌어올리는 해법으로 제시됐다.
 ▲ 양극고체전해질 설계를 통한 저가압, 고율속 구동에 대한 모식도 © 포스텍 |
포항공과대학교 배터리공학과·신소재공학과 이상민 교수 연구팀과 화학과 박수진 교수 연구팀은 전고체전지의 핵심 소재인 황화물계 고체전해질의 취약성을 개선하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 국제 학술지 Advanced Energy Materials에 표지 논문으로 게재됐다.
최근 전기차 화재 사고가 잇따르는 가운데, 기존 리튬이온 배터리의 액체 전해질은 인화성이 높아 화재 확산의 주요 원인으로 지목돼 왔다. 이에 액체 대신 고체 전해질을 사용하는 전고체전지는 안전성을 획기적으로 높일 차세대 배터리로 주목받고 있다. 특히 황화물계 고체전해질은 높은 이온전도도와 우수한 전극 밀착성으로 유력 후보로 평가받아 왔다.
하지만 제조 공정이 까다롭다는 점이 상용화의 걸림돌이었다. 유기용매나 공기 중 미량의 수분에도 표면이 쉽게 분해돼 배터리 성능이 저하됐고, 실제 구동 환경인 저압 조건에서는 전극 접촉이 느슨해지며 성능 저하가 가속되는 문제가 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 두께 약 1나노미터(㎚) 수준의 ‘초박막 보호막’을 도입했다. 황화물계 고체전해질(LPSCl) 표면에 플루오로카본(–CF₃) 말단을 가진 자가조립 단분자층을 형성해, 수분과 유기용매를 효과적으로 차단하면서도 리튬이온 전도 성능은 유지하도록 설계했다.
실험 결과, 이 보호막은 전기화학적 안정성을 크게 향상시켰다. 빠른 충·방전 조건(1.0C)에서도 안정적인 작동이 확인됐으며, 약 0.3MPa의 낮은 압력 환경에서도 전극 접촉 손실을 줄여 성능을 유지했다. 특히 완전한 배터리 셀 실험에서는 300회 충·방전 이후에도 초기 용량의 90.5%를 유지하는 성과를 보였다.
이번 연구는 전고체전지 상용화를 위한 핵심 과제인 안전성과 수명을 동시에 확보했다는 점에서 의미가 크다. 연구를 이끈 이상민 교수는 “고체전해질 표면 안정화를 통해 전극 제작부터 실제 구동까지 이어지는 계면 안정성을 확보했다”고 설명했다. 박수진 교수는 “공정이 단순하고 대량 생산이 가능해 대면적 전극 제조로 확장할 수 있다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 산업통상자원부 기술혁신사업과 과학기술정보통신부 지역혁신 메가프로젝트, 산업혁신인재 성장지원(R&D) 사업의 지원을 받아 수행됐다.
<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>
“Bringing Fire-Free Batteries to Reality”… POSTECH Develops Core Technology to Solve All-Solid-State Battery Challenges
Research results have emerged that bring us one step closer to the commercialization of all-solid-state batteries, the “dream battery” capable of fundamentally reducing the risk of electric vehicle fires. An ultra-thin protective film, so thin it is invisible to the naked eye, has been proposed as a solution to simultaneously boost battery performance and stability.
Research teams led by Professor Sang-Min Lee of the Department of Battery Engineering and Materials Science and Engineering, and Professor Su-Jin Park of the Department of Chemistry at Pohang University of Science and Technology (POSTECH), announced the development of a technology to improve the vulnerability of sulfide-based solid electrolytes, a key material for all-solid-state batteries. This research was published as a cover article in the international academic journal *Advanced Energy Materials*.
Amidst a recent series of electric vehicle fire accidents, the liquid electrolytes in conventional lithium-ion batteries have been identified as a major cause of fire spread due to their high flammability. Consequently, all-solid-state batteries, which use solid electrolytes instead of liquid ones, are garnering attention as next-generation batteries capable of dramatically enhancing safety. In particular, sulfide-based solid electrolytes have been evaluated as a strong candidate due to their high ionic conductivity and excellent electrode adhesion. However, the complexity of the manufacturing process was a stumbling block to commercialization. The surface decomposed easily even with organic solvents or trace amounts of moisture in the air, leading to battery performance degradation. Furthermore, under low-pressure conditions—the actual operating environment—the electrode contact loosened, accelerating performance degradation.
To address this, the research team introduced an "ultra-thin protective film" with a thickness of approximately 1 nanometer (nm). By forming a self-assembled monolayer with fluorocarbon (–CF₃) terminals on the surface of a sulfide-based solid electrolyte (LPSCl), the design effectively blocks moisture and organic solvents while maintaining lithium-ion conductivity.
Experimental results showed that this protective film significantly improved electrochemical stability. Stable operation was confirmed even under fast charge/discharge conditions (1.0C), and performance was maintained by reducing electrode contact loss even in low-pressure environments of approximately 0.3 MPa. Notably, in full battery cell experiments, the device demonstrated the ability to maintain 90.5% of its initial capacity even after 300 charge/discharge cycles.
This research is highly significant in that it simultaneously secured safety and lifespan, key challenges for the commercialization of all-solid-state batteries. Professor Lee Sang-min, who led the study, explained, “We secured interfacial stability that extends from electrode fabrication to actual operation through the stabilization of the solid electrolyte surface.” Professor Park Su-jin stated, “The process is simple and mass production is possible, allowing for expansion into the manufacturing of large-area electrodes.”
Meanwhile, this research was conducted with support from the Ministry of Trade, Industry and Energy’s Technology Innovation Project, the Ministry of Science and ICT’s Regional Innovation Mega Project, and the Industrial Innovation Talent Growth Support (R&D) Project.
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