국내 연구진에 의해 차세대 에너지 저장 수단인 ‘전고체 배터리’의 안정성을 높이는 방법이 개발됐다.

한국원자력연구원은 김형섭 박사 연구팀을 통해 전고체 배터리 내부에서 갑작스럽게 결정 구조가 변하면서 전기적 단락이 발생해 폭발하는 원인을 규명하고 제어 방법을 제시했다고 16일 밝혔다.

전고체 배터리는 이차전지의 핵심 소재인 전해질이 고체인 배터리로, 액체 상태의 전해질을 사용하는 현재와 비교해 안전성과 에너지 밀도가 모두 높은 것이 특징이다.

다만 다방면에서 장점이 있는 전고체 배터리도 내부 전해질의 결정구조가 변화하면 순간적으로 많은 전류가 흐르면서 화재·폭발이 발생한다는 한계점을 가지고 있었다.

이에 다양한 기관에서 해당 현상을 극복하고자 연구가 진행됐으나, 지금까지는 원인이 밝혀지지 않은 문제였다.

고체 전해질 배터리 실험 장비 [한국원자력연구원 제공]

한편 원자력연구원은 이번 실험에서 중성자 빔을 통해 배터리 내 리튬의 양을 정확히 파악했으며, X선으로 고체 전해질 표면과 결정구조 사이의 상관관계를 조사했다.

연구 결과 리튬의 양과 표면 연마 정도가 변화하면 고체 전해질 결정구조가 정육면체에서 직육면체로 불안정하게 변화하는 현상을 확인했다.

직육면체는 이온 전도성이 낮기에 리튬의 이동을 방해하고, 한 자리에 쌓인 에너지가 결국 전기적 단락을 일으킨다는 설명이다.

이에 연구팀은 고체 전해질 제조 과정에서 연마재 회전 속도를 낮춰 결정구조를 안정적으로 유지하는 방법을 제시했다.

이번 성과를 통해 원자력연구원은 이차전지 산업에 전고체 배터리가 더 빠르게 상용화될 수 있을 것으로 기대했다.

원자력연구원 관계자는 “배터리 단락 원인과 제어법을 찾아내면서 배터리 화재와 폭발 방지를 위한 가이드라인을 제시할 수 있게 됐다”라고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 온라인판에 게재된 것으로 알려졌다.