에너지/환경

전고체 전지의 전극-전해질 접촉 병목문제 해결

발행일 : 2019 / 09 / 01

최근, 중국과기대 마청(馬騁) 연구팀은 칭화(清華)대학 난처원(南策文) 연구팀과 공동으로 배율성능이 전통적인 페이스트 코팅(Paste coated) 양극에 접근하는 복합 양극을 제조함으로써 전고체 전지(Solid-state battery)의 전극-전해질 접촉에 문제가 된 병목문제를 해결하는데 새 아이디어를 제공했다. 해당 성과는 “Matter”에 게재됐다.

연구팀은 전자현미경으로 페로브스카이트 구조 고체 전해질을 연구하는 과정에서 리튬이 다량 함유된 층상 산화물인 고성능 전극재의 구조는 페로브스카이트 구조 사이에서 에피택셜 성장 계면을 형성할 수 있으며 따라서 원자 규모에서 긴밀하고 충분한 고체-고체 접촉을 형성할 수 있음을 발견했다. 양자 사이의 에피택셜 성장 계면을 심층적으로 분석한 결과, 계면에서 15개 원자 평면(Atomic plane)은 1개의 불일치 전위(Misfit dislocation)를 형성함과 아울러 누적된 변형에너지를 방출함을 발견했다. 해당 메커니즘에 의한 에피택셜 성장 계면 형성은 전극과 전해질이 유사한 격자 크기를 보유할 것을 요구하지 않으며 또한 다양한 층상 구조 재료와 페로브스카이트 구조 재료 시스템 사이에서 에피택셜 성장 계면을 광범위하게 형성할 수 있다.

연구팀은 해당 결론을 실제 재료 제조에 이용하여 원자급 계면 결합 기반 전극-전해질 복합 전극재를 제조함과 아울러 성능 특성화를 달성했다. 해당 방법으로 제조한 고체-고체 복합재료 전극에서의 활성물질과 전해질 사이의 결합 충분 정도는 고체-액체 접촉 수준에 접근할 뿐만 아니라 배율성능도 전통적인 페이스트 코팅 기술로 제조한 고체-액체 복합재료 전극에 비하여 우수하다.