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한양대학교 화학공학과 김동원 교수, DGIST 김운혁 교수, 연세대 이용민 교수 연구팀이 차세대 전고체 리튬 전지(All-Solid-State Lithium Batteries)의 성능 저하 원인을 규명하고 이를 개선할 수 있는 새로운 분석 방법을 제시했다고 밝혔다.

전고체전지는 기존 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 높고 안전성이 뛰어난 차세대 배터리로 주목받고 있다. 특히 황화물계 고체전해질은 이온 전도도가 높아 상용화의 핵심 소재로 꼽히지만, 실제 구동 시 복합 양극 내부에서 발생하는 계면 열화와 구조 변화로 인해 성능이 떨어지는 문제가 해결해야 할 과제로 남아 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 황화물계 전고체전지의 제조 방식인 ‘건식(dry) 공정’과 ‘습식(wet) 공정’에 따른 복합 양극의 구조와 열화 거동을 체계적으로 비교 분석했다.

연구 결과, 건식 공정으로 제작된 복합 양극은 충·방전 과정에서도 활물질과 고체전해질 사이의 안정적인 접촉 구조를 유지하며 계면 열화를 효과적으로 억제하는 것으로 나타났다. 반면, 습식 공정 전극은 사이클이 진행됨에 따라 전극 내부에 공극이 형성되고 계면 접촉이 줄어들어 성능이 저하되는 현상이 확인되었다.

특히 이번 연구에서는 ‘디지털 트윈(digital twin)’ 기반의 모델링 기술을 활용해 복합 양극 내부의 구조 변화와 응력 분포를 계산적으로 재현하였다. 이를 통해 전극 열화 현상을 정량적으로 분석하였으며  전극 내부의 계면 분리와 공극 형성 메커니즘을 체계적으로 규명했다.

이번 연구는 전고체전지의 전극 설계와 제조 공정이 전지 성능 및 수명에 미치는 영향을 체계적으로 제시했다는 점에서 의미가 크다. 특히 건식 공정 기반의 전극 구조가 전고체전지의 장기 안정성을 향상시킬 수 있는 유망한 전략임을 보여주며, 차세대 고에너지 밀도 배터리 개발에 중요한 접근법을 제공할 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 에너지 저장 분야의 세계적 학술지인 「Energy Storage Materials」(IF : 20.2) 에 게재되었다.