포스텍(POSTECH)은 이상민 배터리공학과·신소재공학과 교수, 배터리공학과 통합과정 고수민 씨, 조창신 배터리공학과·화학공학과 교수, 화학공학과 박사과정 정혜빈 씨 연구팀이 '프러시안 블루 유사체'를 활용해 손상된 황화물계 고체전해질의 성능을 되살리는 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

전고체전지는 불이 나지 않는 안전한 배터리다. 액체 대신 고체 전해질을 사용하기 때문에 폭발 위험이 적고 수명이 길다. 특히 '황화물계 전해질'은 이온전도도가 높고 전극과의 접착력이 우수해 전고체전지의 유망한 소재로 꼽힌다. 하지만 이 전해질은 공기 중 극소량의 수분에도 쉽게 반응해 성능이 급격히 떨어지고, 그 과정에서 황화수소(H₂S)와 일산화탄소(CO) 같은 독성 가스가 발생한다는 치명적인 단점을 지니고 있었다.

(왼쪽부터)이상민 교수, 조창신 교수, 고수민·정혜빈 씨

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연구팀은 황화물계 전해질 일종인 'LPSCl'에 '프러시안 블루 유사체(PBA)'를 첨가하는 방법에 주목했다. PBA는 내부에 물과 기체를 흡수할 수 있는 구조로 수분에 의한 손상을 막을 뿐 아니라 이미 열화된 전해질의 성능을 회복시키는 역할까지 수행할 수 있다.

연구팀은 망간(Mn) 기반 PBA를 황화물계 전해질인 LPSCl과 혼합해 복합 전해질(MPB-LPSCl)을 제작했다. 실험 결과, PBA를 4% 정도 첨가한 전해질은 기존과 유사한 수준의 높은 이온전도도를 유지하면서 수분에 노출됐을 때 황화수소 발생량이 1/4, 일산화탄소는 1/10 수준으로 줄었다.

또 500회의 충·방전 이후에도 초기 용량의 85.4%를 유지하는 등 우수한 전기화학적 성능을 보였다. 이는 동일한 노출 조건에서 기존 LPSCl이 100 사이클 이후 79.3%에 그친 것과 비교해 현저히 개선된 결과다.

더 주목할 점은, 이미 수분에 노출되어 손상된 전해질도 단순히 PBA를 섞는 것만으로 복구되었다는 사실이다. 5%의 상대습도 환경에서 6시간 노출된 LPSCl은 10사이클 후 급격히 용량이 감소했지만, MPB를 혼합한 경우 500사이클 동안 99.9%의 쿨롱 효율과 95.2%의 용량 유지율을 기록했다.

대기 노출에 따른 MPB-LPSCl 소재와 LSPCl 소재의 열화 거동 비교. MPB의 수분·가스 흡수 능력에 기반한 수분 안정성 향상 및 성능 회복 효과를 나타낸 이미지.

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조창신 교수는 “PBA는 단순한 보호제를 넘어, 손상된 전해질을 되살리는 새로운 역할을 한다”라며 “전고체전지 상용화를 앞당길 중요한 전환점이 될 것”이라고 했다. 또, 이상민 교수는 “이번 기술은 습도에 민감한 황화물계 소재의 생산 신뢰성을 크게 높일 수 있다”라고 밝혔다.

산업통상자원부 에너지국제공동연구 사업, 과학기술정보통신부 지역혁신 메가프로젝트 사업과 산업혁신인재 성장지원(R&D) 사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 최근 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)' 온라인판에 게재됐다.

포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com

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