에너지 저장 혁신: 고체 전해질 리튬 배터리, 안전성·용량·속도 모두 잡다

Andrew Corselli

고체 전해질 결정 구조를 기계적 압력으로부터 보호하는 원자 단위 두께의 은 코팅과 표면 아래 은 원자들 아티스트 렌더링. (이미지: Chaoyang Zhao)

배터리 양극과 음극 사이에 액체 대신 고체 전해질이 있으면 이론적으로 현재 상용 리튬이온 배터리보다 더 안전하고, 훨씬 더 많은 에너지를 담으며, 상당히 더 빠르게 충전되는 충전식 리튬 금속 배터리를 가능하게 해야 합니다. 수십 년간 과학자와 엔지니어들은 리튬 금속 배터리의 큰 약속을 실현하기 위해 여러 경로를 탐구해 왔습니다. 연구 중인 고체 결정질 전해질의 주요 문제는 사용 중 성장하다가 배터리 고장을 일으키는 미세한 균열 형성입니다.

스탠퍼드 연구진은 3년 전 발표한 연구에서 이 미세한 결함이 어떻게 형성되고 확장되는지 밝혀낸 것을 바탕으로, 고체 전해질 표면에 극도로 얇은 은 코팅을 어닐링하면 문제가 크게 해결됨을 발견했습니다. Nature Materials에 보고된 바에 따르면 이 코팅은 기계적 압력에 의한 파손에 대한 전해질 표면 강도를 5배 높입니다. 또한 기존 결함이 리튬 침투에 훨씬 덜 취약하게 만드는데, 특히 급속 충전 시 나노 균열이 나노 틈으로 변해 결국 배터리를 무용지물로 만들기 때문입니다.

"우리와 다른 이들이 개선하려 노력하는 고체 전해질은 리튬 이온이 쉽게 오갈 수 있는 세라믹 종류지만 부서지기 쉽습니다."라고 선임 저자인 Wendy Gu 기계공학 부교수는 말합니다. "믿기 힘든 작은 규모에서, 이건 여러분이 집에 있는 표면에 미세한 균열이 있는 세라믹 접시나 그릇과 다를 바 없습니다."

"실제 전고체 배터리는 양극-전해질-음극 시트가 적층된 구조입니다. 아주 작은 결함조차 없이 제조하는 것은 거의 불가능하고 매우 비쌉니다."라고 Gu 교수는 말합니다. "우리는 보호 표면이 더 현실적이라고 결정했고, 약간의 은만으로도 꽤 좋은 일을 하는 것 같습니다."

다른 과학자들의 이전 연구는 같은 고체 전해질 소재(리튬, 란타넘, 지르코늄 원자와 산소의 혼합으로 'LLZO'로 알려짐)에 금속 은 코팅을 사용하는 것을 조사했습니다. 이전 연구들이 금속 은을 사용해 배터리 성능을 개선한 반면, 새 연구는 전자를 잃은 용해된 형태의 은(Ag+)을 사용했습니다. 금속 고체 은과 달리 이 용해된 하전 은이 세라믹을 균열 형성에 대해 경화시키는 직접적 원인입니다.

연구자들은 LLZO 표면에 3나노미터 두께의 은 층을 증착한 후 샘플을 최대 300°C(572°F)까지 가열했습니다. 가열 중 은 원자가 전해질 표면으로 확산되어 훨씬 작은 리튬 원자와 20~50나노미터 깊이에서 자리를 바꿨습니다. 은은 금속 은이 아닌 양이온으로 남았으며, 과학자들은 이것이 균열 형성을 막는 열쇠라고 생각합니다. 결함이 있는 곳에서는 양의 은 이온 존재가 리튬의 침입과 전해질 내부 파괴적 가지 성장을 막습니다.

"우리 연구는 나노스케일 은 도핑이 전해질 표면에서 균열 개시와 전파 방식을 근본적으로 바꿔, 차세대 에너지 저장 기술을 위한 내구성 있고 내고장성 고체 전해질을 생산할 수 있음을 보여줍니다."라고 당시 연구 책임자였던 Xin Xu(현 애리조나 주립대 공학 조교수)는 말합니다.

여기 Xu와의 독점 Tech Briefs 인터뷰가 있습니다(길이와 명확성을 위해 편집됨).

Tech Briefs: 코팅 어닐링 중 직면한 가장 큰 기술적 과제는 무엇이었나요?

Xu: 답하기 전에, 우리가 은을 생각한 첫 그룹이 절대 아니라는 점을 명확히 하고 싶습니다. 은 코팅은 몇 년 전부터 전고체 배터리에서 주로 리튬 금속과 고체 전해질 사이 중간층으로 사용되어 왔습니다. 분명히 잘 작동합니다. 하지만 우리는 약간 다른 아이디어로 접근했습니다. 우리는 은을 마법의 원소로 생각하기 시작했습니다. 크기가 크고 고도로 분극 가능합니다.

이는 은 원자가 너무 유연해 작은 이온이 들어갈 수 없는 곳으로 소재를 짜넣을 수 있음을 의미합니다. 여기에서의 가설은 매우 단순합니다: 은이 전해질 속으로 확산되거나 짜넣을 수 있다면 압축 응력을 생성해 실제로 소재를 강화할 수 있습니다. 이는 소재를 균열에 더 강하게 만들 것입니다.

처음 이 아이디어를 냈을 때 '어려울 게 뭐 있나? 그냥 은을 넣으면 되지'라고 생각했습니다. 그런데 엄청나게 어려웠습니다. 가장 큰 기술적 과제는: 고체 전해질이 공기에 극도로 민감하다는 것입니다. 수분이 CO2와 반응해 전해질 표면에 오염층을 형성합니다. 실험실에서도 이 일이 너무 쉽게 일어납니다. 일단 전해질 표면에 이 오염이 생기면 은이 우리가 원하는 일을 할 수 없습니다.

우리는 결국 표면 청결도가 모든 것임을 깨달았습니다. 그래서 초청정 표면을 만들면 은이 전해질 소재 속으로 확산되어 우리가 목표로 하던 압축 응력을 생성할 수 있습니다. 그때부터 우리는 실험실 환경 제어에 매우 집착하게 되었습니다. 샘플 준비부터 코팅 특성화, 테스트까지 모든 단계 모든 것을 엄격히 통제된 무공기 조건에서 수행했습니다. 이 프로젝트만을 위한 매우 독특한 맞춤형 무공기 이송 용기까지 설계했습니다. 아마존에서도 팝니다. 일단 그렇게 하니 결과가 매우 명확했습니다. 매우 흥분됐습니다.

Tech Briefs: 향후 작업 계획이 있으신가요?

Xu: 다음 단계로 염두에 둔 몇 가지가 있습니다. 첫째, 아마 제가 가장 좋아하는 부분인데, 다른 원소들을 시도해보고 싶습니다. 이 결과들은 이온 크기가 핵심 요소임을 시사합니다. 만약 그게 사실이라면 은이 특별한 건 은이라서가 아니라 크기가 커서입니다. 이는 더 저렴하지만 큰 원소들도 작동할 수 있음을 의미합니다. 예를 들어 나트륨, 칼륨, 구리. 사실 구리로 이미 매우 유망한 결과를 얻었습니다.