한양대학교 재료화학공학과 박태주 교수 연구팀이 차세대 이차전지로 주목받는 ‘황화물계 전고체전지’의 성능 저하 원인을 해결할 양극 보호막의 최적 두께를 실험적으로 규명했다고 18일 밝혔다.
(왼쪽부터) 권규문 연구원, 박태주 한양대 교수, 강효랑 한양대 겸임교수 (사진= 한양대 제공) 황화물계 전고체전지는 높은 에너지 밀도와 우수한 안전성으로 ‘꿈의 배터리’로 불리지만, 양극 활물질과 고체전해질이 만나는 지점(계면)에서 발생하는 화학적 부반응으로 인해 수명이 짧아지는 한계가 있었다. 이를 막기 위해 양극 표면에 보호막을 코팅하는 기술이 연구되어 왔으나, 성능과 효율을 동시에 만족시키는 ‘정확한 두께’에 대한 기준은 그간 모호한 상태였다.
이에 박태주 교수 연구팀은 반도체 제조 공정에서 쓰이는 ‘분말 원자층 증착법(Powder-ALD)’을 배터리 양극 소재에 도입해 이 난제를 풀었다. 연구팀은 양극 활물질(NCM811) 표면에 리튬-나이오븀 산화물(LiNbO3) 보호막을 1nm, 2.5nm, 5nm 두께로 정밀하게 코팅하여 비교 분석했다.
연구 결과, 약 2.5nm 두께의 보호막에서 계면 반응 억제와 전지 성능 안정화 효과가 가장 탁월하게 나타나는 것을 확인했다. 이는 기존 습식 코팅 공정 연구에서 제시해온 5~10nm 수준보다 두께를 절반 이하로 줄이면서도 안정적인 보호 효과를 거둘 수 있음을 입증한 결과다. 너무 얇으면(1nm) 부반응을 막지 못하고, 너무 두꺼우면 오히려 리튬 이온의 이동을 방해한다는 점을 실험적으로 증명해 낸 것이다.
특히 이번 연구는 단순히 성능 향상에 그치지 않고, 보호막 두께에 따른 공정 시간과 비용 등 실제 양산 과정에서 고려해야 할 경제적 파라미터까지 함께 제시해 산업적 가치가 매우 높다는 평가를 받는다.
박태주 교수는 “이번 연구는 황화물계 전고체전지에서 계면 안정화를 달성하기 위한 보호막의 최소 유효 두께를 실험적으로 규명한 사례”라며 “전고체전지 양극 계면 설계의 정량적 기준을 제시함과 동시에 실제 제조 공정을 고려한 기술적 방향성을 제시한 것에서 의미가 있다”고 말했다.
박 교수는 본 기술력을 바탕으로 2022년 창업한 알페스㈜(ALPES Co., Ltd.)를 통해 전고체전지용 양극 소재 코팅 기술의 상용화를 추진 중이다. 해당 기술은 향후 반도체 후공정 소재나 제약 등 정밀 코팅이 필요한 다양한 산업 분야로 확장될 전망이다.
이번 연구는 한국연구재단 국가R&D사업 및 민관 공동투자 반도체 고급 인력 양성사업의 지원으로 수행됐으며, 에너지 저장 소재 및 차세대 배터리 분야 최상위 국제 학술지 『Energy Storage Materials』(IF 20.2)에 3월 8일 온라인 게재됐다.
해당 논문 「Minimum effective thickness of cathode protective layers for sulfide-based all-solid-state batteries via powder-atomic layer deposition」에는 권규문 한양대 연구원이 제1저자로, 이민지 한양대 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 강효랑 한양대 겸임교수와 박태주 한양대 교수가 교신저자로 참여했다.
