전고체 배터리는 액체 전해질을 고체로 대체해 주행거리를 늘리고 화재 위험을 없앨 수 있는 차세대 기술로 주목받지만, 미세한 리튬 금속 돌기인 덴드라이트 형성으로 인해 상용화가 지연되고 있다. 매사추세츠 공과대학교(MIT)와 뮌헨 공과대학교 공동 연구팀은 최근 고체 전해질 내부의 결정립 경계가 덴드라이트 성장을 촉진하는 주요 원인임을 밝혀내고 이를 억제할 수 있는 가공 공정을 개발했다. 연구 결과는 국제 학술지 네이처 나노테크놀로지에 게재됐다.

결정립 경계의 전기적 불균형이 원인
고체 전해질은 무수히 많은 미세한 알갱이가 뭉쳐진 구조로 이루어지며, 알갱이 사이에는 결정립 경계가 존재한다. 연구팀은 인공지능과 특수 매핑 기술을 활용해 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체 전해질을 분석했다.


분석 결과 결정립 경계에 숨겨진 전기적 불균형이 존재하는 것으로 나타났다. 전자가 이 경계면에 집중되면서 리튬 이온의 이동을 방해하고, 결과적으로 덴드라이트 형성을 촉진하는 환경을 만든다. 결정립 경계의 불균형이 배터리 내부 손상을 유발하는 핵심 요인인 셈이다.





전류 밀도 300% 향상으로 충전 속도 개선
연구팀은 불균형의 원인을 파악한 후 전해질 가공 공정을 조절해 결정립 경계의 손상을 최소화하는 방법을 적용했다. 공정 개선을 거친 전해질은 리튬 이온이 내부를 자유롭게 이동할 수 있어 덴드라이트 형성이 억제되고 에너지 손실도 줄어든다.


실험 결과 개선된 전해질을 적용한 배터리는 기준 샘플보다 전류 밀도가 300% 이상 높아졌다. 높은 전류 밀도는 배터리의 충전과 방전 속도를 획기적으로 높일 수 있음을 뜻하며 전체적인 배터리 수명 연장에도 기여한다.


대량 생산과 비용 절감 과제 상존
양산형 전기차에 적용되기까지는 추가적인 기술 보완이 필요하다. 이번 연구는 연구실 규모의 실험실 단계에서 이루어진 성과로, 자동차 제조사와 배터리 기업들은 양산 차량에 적용 가능한 자체적인 결함 제거 기술을 별도로 개발 중이다. 덴드라이트 방지 기술 외에도 생산 비용을 낮추고 대규모 제조 공정에서 결함률을 제로에 가깝게 유지하는 공정 기술 확보가 상용화의 최종 관건이 될 것으로 보인다.


글 / 원선웅 (글로벌오토뉴스 기자)​

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