성신여자대학교(총장 이성근)는 신민정 화학·에너지융합학부 교수 연구팀이 고농도 전해액을 활용한 계면 물질 개발을 통한 반고체 전지(Quasi-solid-state battery, QSE)의 성능을 향상시키는 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

연구팀은 차세대 에너지 저장 장치로 각광받는 전고체 전지의 계면 안정성 문제에 주목하고, 이를 해결하기 위한 기술 개발에 주력했다. 연구팀은 계면 안정성을 해결하고, 반고체 전지의 성능 향상을 위해 고농도 액체 전해질(high-concentration liquid electrolyte, HCE)을 소량 도입하여 반고체 전해질 기반 리튬 금속 배터리를 개발에 성공했다.

이 기술은 전고체 전지에서 고체 전해질과 리튬 금속 전극 간의 계면 불안정성 문제를 해결하며, 약 10 mA/cm²의 임계 전류 밀도를 달성하고, 균일한 리튬 증착 및 탈착 거동을 가능하게 했다.

특히 연구결과, HCE가 고체-고체 계면의 불완전한 접촉 특성을 완화시키고, LiF가 풍부한 무기 고체 전해질 계면(Solid Electrolyte Interphase, SEI)을 형성함으로써 전기화학적 성능을 크게 향상시키는 것으로 나타났다. 또한, QSE 시스템은 국부적인 전류 집중과 공극 형성으로 인한 접촉 손실을 억제하여 계면 안정성을 증진시키는 효과도 확인했다.

연구팀의 성과는 에너지 분야 국제 학술지 ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters, IF 19.5, JCR 상위 3.8%)에 '고에너지 준고체 배터리에서 향상된 사이클링 성능의 기계적 기원 공개(Unveiling Mechanistic Origins of Enhanced Cycling Performance in Quasi-Solid-State Batteries with High-Concentration Electrolytes'(제1저자 이다은, 교신저자 신민정)로 게재됐다.

신민정 교수는 "앞으로도 혁신적인 연구와 우수 인재 양성을 통해 차세대 에너지 저장 기술 발전에 기여할 수 있도록 최선을 다하겠다"라고 소감을 전했다.

이번 연구 성과는 전극-전해질 계면에서의 리튬 증착 및 탈착 메커니즘을 규명하고, 고체 전해질 기반 차세대 리튬 금속 배터리의 계면 설계에 중요한 방향성을 제시하면서 고체 전지 상용화와 안정성 향상에 중요한 단초를 제공할 것으로 기대를 모으고 있다.