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고려대-KETI, 차세대 전고체 배터리 양극의 기계적 수명 저하 메커니즘 규명 및 고성능 전극 설계 방안 제시
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｜2025.07.16
고려대-KETI, 차세대 전고체 배터리 양극의 기계적 수명 저하 메커니즘 규명 및 고성능 전극 설계 방안 제시
- 전기 자동차 및 에너지 저장 시스템용 대면적 전고체전지 양극 설계 기술 개발
□ 고려대학교(총장 김동원) 기계공학부 유동주 교수 연구팀이 한국전자기술연구원(KETI) 차세대전지연구센터 조우석 수석 연구팀과 함께, 황화물계 전고체 배터리 양극 내 기계적 수명 저하 메커니즘을 세계 최초로 규명하고, 이를 바탕으로 저가압 구동이 가능한 대면적 전고체 배터리 전극 설계 기술을 개발했다.
□ 본 연구 결과는 연구의 독창성과 우수성을 인정받아 국제적 권위 학술지인 ‘Joule(IF=35.4, JCR 상위 1%)’ 온라인에 7월 10일 게재됐다.
*논문명: Alleviating Kinetical Delamination Induced by Localized Cathode Contact via Electrochemo-Mechanical Modeling in All-Solid-State Batteries
□ 전고체 배터리는 고체 형태의 전해질을 사용하여, 액체 전해질 기반 리튬 이온 전지에서 발생하는 화재 및 열폭주 문제를 원천적으로 해결할 것으로 기대되는 차세대 배터리이다. 고체 전해질의 빠른 리튬 이온 이동 특성을 활용하는 전고체 배터리는 높은 에너지밀도와 넓은 작동 온도를 보유한 에너지 저장 시스템의 게임 체인저로 고려되고 있다.
□ 전고체 배터리의 성능은 양극 활물질과 고체 전해질의 물리적인 접촉에 큰 영향을 받는다. 기존 액체 전해질이 전극 내부의 작은 틈에 쉽게 침투하는 것과는 다르게, 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 지연되어왔다.
□ 공동 연구팀은 세계 최초로 전기화학-기계 연성 모델을 활용하여, 양극 활물질과 고체 전해질 사이의 접촉 면적과 균일성이 전지 성능을 열화시키는 메커니즘을 정밀히 밝혀냈다. 구체적으로는 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 전기차 및 에너지 저장 시스템과 같이 대면적 배터리에서 요구되는 낮은 압력에서의 구동을 가능하게 하는 전극 설계 및 분석 방안을 제시했다.
□ 연구팀이 개발한 양극이 적용된 전고체 배터리는 5C (12분 완충) 전류밀도에서 95% 이상 충전이 가능했으며, 500 사이클 후 초기 성능의 87.1 %가 유지됐다. 양극 설계를 통해 전지의 성능을 비약적으로 향상시킬 수 있음을 증명했으며, 본 연구개발을 통해 제안되는 전기화학-기계 연성 모델은 대면적 전고체 배터리를 개발함에 있어 중요한 설계 및 분석 기술로 활용 가능하다.
□ 고려대학교 기계공학부 유동주 교수는 “이번 연구는 전고체 전지의 성능을 소재에서부터 전극, 셀 단위의 멀티스케일 기계적인 거동으로 새롭게 접근한 연구 결과라는 점에서 의의가 있으며, 고체 전해질과 양극 활물질 간의 물리적인 접촉의 중요성을 전지 성능과 모델링 기술을 통해 체계적으로 입증했다”라고 말했다. 이어 “이는 고에너지 양극을 사용하는 고성능-장수명 전고체 전지 전극 설계에 직접적으로 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
□ 본 연구는 한국연구재단의 원천기술국제협력개발사업, 한국산업기술평가원의 소재부품기술개발사업 및 국가과학기술연구회의 글로벌TOP전략연구단 지원사업을 통해 개발됐다.
1. 연구진 사진
△ 고려대 기계공학부 유동주 교수(교신저자), KETI 차세대전지연구센터 조우석 수석연구원(공동 교신저자), KETI 차세대전지연구센터 최승호 선임연구원(공동 교신저자)
△ [그림 1] 설명: 양극활물질-고체전해질 간의 균일한 접촉은 충방전 과정에서 균일한 계면을 유지할 수 있지만,
불균일한 접촉이 발생시 양극의 국부적인 수축으로 인하여 전극 내부에 균열이 발생하는 것을 모식화함
[그림 2] 기존 전극 및 제안된 기술이 도입된 양극의 장수명 특성
△ [그림 2] 설명: 황화물계 전고체 배터리 양극 수명 성능 평가 결과
- 제안된 기술로 개발된 양극이 적용된 전고체 배터리는 5.0 C (12분 완충 속도)에서 95% 이상 충전이 가능했으며, 500 사이클 후 초기 용량대비 87.1 %의 뛰어난 가역성을 증명함
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