▲ 전고체전지 내부 리튬 도금 방향에 따른 압력과 변위(두께) 변화 / 리튬이 전극 표면에 어떤 방향으로 도금되는지에 따라 전지 내부의 압력과 구조 변화가 달라진다. 충전 중 리튬이 수평 방향으로 균일하게 도금되거나 기공을 채우는 경우(파란색 곡선), 내부 압력이 완만하게 증가하는 반면, 리튬이 수직 방향으로 뾰족하게 자라나는 경우(주황색 곡선)에는 압력이 급격히 증가하는 경향을 나타낸다. 오른쪽 구조도는 이러한 반응을 진단하기 위한 전고체전지 셀 실험 구성이다, 셀의 양쪽에 변위센서 2개를 부착해 각각의 두께 변화를 측정한다. 리튬이 고르게 도금되면 양쪽 변위센서가 측정하는 팽창량이 거의 동일하지만, 한쪽 방향으로만 수직 성장(수지상)이 일어나면 양쪽 측정값이 '짝짝이'처럼 비대칭적으로 나타난다. 이처럼 변위 차이(Δdy)를 비교 분석함으로써, 리튬 도금의 불균일성과 수지상 발생 가능성을 조기에 감지할 수 있다.(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

차세대 배터리로 불리는 전고체배터리의 ‘치명적 약점’, 리튬 수지상(short dendrite)에 의한 전기적 단락을 조기에 감지할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 외부 센서를 통해 단락 발생 전 신호를 포착함으로써, 전고체 전지의 상용화를 가로막는 안전성 문제 해결에 결정적 돌파구를 마련했다는 평가다.

UNIST 에너지화학공학과 이현욱 교수 연구팀은 15일, 전고체배터리에 압력 센서와 변위 센서를 부착해 리튬 수지상 형성을 사전에 감지할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 리튬의 도금 방향성과 균일성을 실시간으로 감지함으로써, 배터리 내부에서 단락이 발생하기 전에 조치를 가능하게 한다.

전고체배터리는 기존 리튬이온 배터리보다 폭발·화재 위험이 현저히 낮은 고안전성 전지지만, 리튬 금속이 수직으로 성장하며 고체 전해질을 관통할 경우 내부 단락이 발생하는 치명적 리스크가 존재한다. 이 수지상은 육안으로 보기도 어렵고, 내부에서 미세하게 진행되기 때문에 조기 진단이 어려운 과제로 남아 있었다.

연구팀은 배터리 셀에 압력센서와 셀 양면에 변위센서 2개를 장착, 수지상이 자랄 때 나타나는 미세한 부피 변화와 비대칭적인 압력·두께 변화를 정량적으로 포착하는 데 성공했다. 수지상이 수직으로 형성될 때, 압력 변화가 급격히 증가하고, 양측 변위센서 간 두께 변화 차이가 극명하게 나타나는 점에 착안했다.

이 방식은 수지상을 억제할 수 있는 실용적 조건까지 밝혀냈다. 배터리 셀을 수직으로 누르는 ‘스택 압력’을 20MPa 이상으로 높이면, 리튬이 수평 방향으로 균일하게 삽입돼 수지상 형성이 억제됐고, 쿨롱 효율은 99.7%로 나타났다. 이는 충·방전 효율이 높고 리튬 손실이 거의 없어 배터리 수명이 비약적으로 증가할 수 있음을 뜻한다.

또한 리튬과 잘 섞이는 은(Ag), 마그네슘(Mg) 코팅을 음극 표면에 적용하는 방식 역시 수지상 억제에 효과적인 보조 전략으로 확인됐다.

이현욱 교수는 “전고체배터리는 휘발성 전해질이 없어 폭발 위험은 낮지만, 리튬 수지상이 고체 전해질을 뚫으면 셀 내부에서 전기적 단락이 발생할 수 있다”며 “이번 연구는 이런 위험을 사전에 진단할 수 있는 정량적 기준을 마련한 것”이라고 설명했다. 이어 “도금의 방향성과 균일성을 실시간으로 파악할 수 있다는 점에서, 전고체전지의 안정성 향상과 상용화에 핵심적인 기반이 될 수 있다”고 덧붙였다.

이번 연구는 세계적 권위의 에너지 분야 국제학술지 ACS Energy Letters에 6월 10일자로 온라인 공개됐으며, 최근 한 달간 가장 많이 열람된 논문으로도 선정됐다.

논문명은 Lithiation Diagnostics by Measuring Electrochemodynamics in Solid-State Batteries이다.