고려대는 기계공학부 유동주 교수 연구팀이 황화물계 전고체 배터리 양극 내 기계적 수명 저하 메커니즘을 세계 최초로 규명하고 이를 바탕으로 저가압 구동이 가능한 대면적 전고체 배터리 전극 설계 기술을 개발했다고 11일(금) 밝혔다.

전고체 배터리의 성능은 양극 활물질과 고체 전해질의 물리적인 접촉에 큰 영향을 받는다. 고체 전해질과 양극 활물질 간의 물리적으로 불완전한 접촉은 전지의 수명을 급격하게 저하시키는 원인으로 간주됐다.

그러나 성능 열화에 대한 명확한 메커니즘이 밝혀지지 못해 장수명 대면적 전극 기술 개발이 지연돼 왔다.

이에 연구팀은 전기화학-기계 연성 모델을 활용해 양극 활물질과 고체 전해질 사이의 접촉 면적과 균일성이 전지 성능을 열화시키는 메커니즘을 밝혀냈다. 특히 충전 시 양극 활물질의 국부적인 수축이 전극 내 기계적 박리를 가속화한다는 사실을 실험과 모델링 기술을 통해 입증했다.

또한 크기가 작고 균일한 소립자 고체 전해질을 활용함으로써 계면 접촉의 균일성을 향상시켜 전지의 성능을 크게 높이고, 제안된 전극 설계 기술을 통해 저가압 구동이 가능함을 증명했다.

이를 통해 연구팀은 전기 차 및 에너지 저장 시스템 등의 대면적 배터리에서 요구되는 저가압 구동을 가능하게 하는 전극 설계 및 분석 방안을 제시했다.

연구팀이 개발한 양극이 적용된 전고체 배터리는 5C(12분 완충) 전류 밀도에서 95% 이상 충전이 가능했으며 500 사이클 후 초기 성능의 87.1%가 유지됐다.

유 교수는 "이번 연구는 전고체 전지의 성능을 소재에서부터 전극, 셀 단위의 멀티스케일 기계적인 거동으로 새롭게 접근한 연구 결과라는 점에서 의의가 있다"고 설명했다.