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전고체 배터리를 짓누르던 무거운 장치를 뺐다 — 포스텍 연구팀의 얇은 완충층

전고체 배터리 계면층 기술을 표현한 이미지

한눈에 요약

  • 무슨 일? 포스텍 박수진 화학과 교수·송영진 박사 연구팀과 조창신 배터리공학과·화학공학과 교수·홍정수 박사과정 연구팀이 황화물계 전고체 배터리의 높은 압력 의존성을 낮추는 계면층을 개발했다고 14일 밝혔습니다.
  • 왜 중요? 전고체 배터리는 안정적으로 쓰려면 내부를 강하게 눌러주는 장치가 필요했습니다. 이 장치가 무겁고 부피가 커서 실용화의 걸림돌이었습니다.
  • 핵심 숫자/일정: 기존 전고체전지에 요구되던 수십 MPa 수준의 구동압을 0.2MPa 남짓으로 낮췄습니다. 계면층 두께는 2~4㎛(마이크로미터)입니다. 연구는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’에 실렸습니다.

무슨 일이 있었나

지금 전기차에 쓰이는 리튬이온 배터리는 전해질이 액체입니다. 전해질은 배터리 안에서 이온이 오가는 통로인데, 액체는 불이 붙기 쉽다는 약점이 있습니다. 전고체 배터리는 이 전해질을 고체로 바꾼 것입니다. 안전성이 높고 에너지도 더 많이 담을 수 있어 차세대 배터리로 꼽힙니다.

고체 전해질 중에서도 황화물로 만든 것이 성능이 뛰어난 편입니다. 그런데 문제가 있었습니다. 배터리를 충전하고 방전할 때마다 전극의 부피가 조금씩 변하면서, 맞닿아 있던 경계면(계면)에 미세한 틈이 생깁니다. 이 틈이 전기가 흐르는 길을 방해해 성능이 떨어집니다.

그래서 지금까지는 배터리를 바깥에서 강한 힘으로 계속 눌러줘야 했습니다. 틈이 벌어지지 않게 물리적으로 붙잡아 두는 방식입니다. 하지만 이렇게 누르려면 무겁고 부피가 큰 장치가 따로 필요해 실용성이 떨어졌습니다.

연구팀은 힘으로 누르는 대신 ‘똑똑한 완충재’로 문제를 풀었습니다. 리튬 음극과 고체 전해질 사이에 2~4㎛ 두께의 얇은 층을 끼워 넣은 것입니다. 이 층은 맥신(MXene), 실리콘(Si), 은(Ag) 세 가지 재료로 구성됩니다. 이 중 얇은 판이 겹겹이 쌓인 구조의 맥신은 부피가 변할 때 유연하게 휘어지며 틈이 생기지 않도록 하는, 일종의 스펀지 같은 역할을 합니다.

숫자로 보는 성과

항목 기존 이번 연구
필요 구동압 수십 MPa 수준 0.2MPa 남짓
실리콘 도입 전고체전지 구동압 5MPa에서만 작동 0.2MPa에서 작동
압력 유지 방식 외부 가압 장치 계면층(완충재)
연구 개요 내용
연구기관 포스텍(박수진·송영진, 조창신·홍정수 연구팀)
대상 황화물계 전고체 배터리
계면층 재료 맥신-실리콘-은 하이브리드
계면층 두께 2~4㎛
위치 리튬 음극과 고체 전해질 사이
게재 학술지 Advanced Energy Materials
지원 한국연구재단

연구팀은 0.2MPa의 초저압에서 구동하는 전고체전지는 아직까지 보고된 사례가 없다고 밝혔습니다.

배경 — 왜 ‘압력’이 관건이었나

전고체 배터리 연구의 오랜 과제는 성능 그 자체만이 아니었습니다. 실험실에서 좋은 성능을 내더라도, 그 성능을 유지하려면 강한 외부 압력이 필요하다면 실제 차량에 넣기 어렵습니다.

전기차에서 무게는 곧 주행거리입니다. 배터리를 눌러줄 장치가 무겁고 크면 차가 무거워지고, 같은 배터리 용량으로 갈 수 있는 거리가 줄어듭니다. 배터리 팩 안의 공간도 차지합니다.

이번 연구가 의미를 갖는 지점이 여기입니다. 가압 장치가 필요 없어지면 그만큼 차량이 가벼워지고 주행거리가 늘어날 수 있다는 것이 연구팀의 설명입니다.

박수진 교수는 황화물계 전고체 배터리의 실용화를 위해서는 우수한 전기화학적 성능뿐 아니라 높은 외부 압력에 대한 의존도를 낮추는 것이 중요했다고 말했습니다. 조창신 교수는 계면 자체의 소재와 구조 설계를 통해 안정적인 전고체 배터리를 구현하는 새로운 방향을 제시할 것으로 기대한다고 밝혔습니다.

MPa는 어떤 단위인가요

메가파스칼(MPa)은 압력 단위입니다. 1MPa는 1제곱미터 면적에 약 100톤의 무게가 누르는 정도의 힘에 해당합니다. 구동압이 수십 MPa에서 0.2MPa 남짓으로 낮아졌다는 것은 필요한 누르는 힘이 수십 분의 일 이하로 줄었다는 뜻입니다.

나에게 미치는 영향

전기차 구매를 고민하는 사람: 이번 성과는 학술지에 발표된 연구 단계입니다. 당장 판매되는 전기차에 적용되는 기술은 아니며, 상용화 시점은 이번 발표에 제시되지 않았습니다. 지금 차량 구매 결정을 이 연구에 맞춰 미룰 근거로 보기는 어렵습니다.

배터리 업계 종사자: 외부 가압 대신 계면 소재 설계로 압력 의존성을 낮추는 접근입니다. 셀 설계와 팩 구조 설계의 제약 조건을 바꿀 수 있는 방향이라는 점에서 눈여겨볼 만합니다.

산업 관점에서: 전고체 배터리는 여러 나라와 기업이 실용화 경쟁을 벌이는 분야입니다. 성능뿐 아니라 ‘실제로 차에 넣을 수 있는 구조’를 겨냥한 연구가 나오고 있다는 흐름을 보여줍니다.

자주 묻는 질문

Q. 이 배터리는 언제 전기차에 들어가나요?
이번 발표는 연구 성과이며 상용화 일정은 제시되지 않았습니다.

Q. 주행거리가 얼마나 늘어나나요?
연구팀은 가압 장치가 사라지면 차가 가벼워지고 주행거리가 늘어날 것으로 기대한다고 밝혔지만, 구체적인 수치는 제시하지 않았습니다.

Q. 왜 황화물계인가요?
고체 전해질 중 황화물로 만든 것이 성능이 뛰어난 편이지만, 계면에 틈이 생기는 문제로 높은 압력이 필요했습니다. 이번 연구는 그 약점을 겨냥했습니다.

앞으로 지켜볼 것

  • 실제 셀·팩 단위에서의 장기 수명(충방전 반복) 검증 결과.
  • 계면층 제조 공정이 대량생산에 적용 가능한지.
  • 다른 연구기관이나 기업이 저압 구동 전고체전지 성과를 잇따라 내놓는지.

참고 자료