양극-황화물계 고체전해질 계면 열화 메커니즘 밝혀
Chem. Mater. 2024, 36, 10, 5215–5227
Adv. Funct. Mater. 2025, e17263
서울대학교 화학생물공학부 이규태 교수 연구팀은 차세대 황화물계 전고체전지(ASSBs)에서 발생하는 성능 저하의 근본 원인이 단순한 기계적 부피 변화가 아닌, ‘전기화학적·화학적 불안정성에서 기인한 기계적 손실’에 있음을 규명했다.
연구팀은 연이은 연구(Chemistry of Materials 2024, Advanced Functional Materials 2025)를 통해, 양극 활물질과 고체전해질 간의 불안정한 화학 반응이 계면의 물리적 구조를 손상시키고, 이것이 다시 전기화학적 성능 저하로 이어지는 ‘기계-전기화학적(Mechano-electrochemical)’ 열화 메커니즘을 입증했다.
우선 단결정 LiCoO2(리튬코발트산화물)를 이용한 연구에서는 계면에 형성되는 ‘빈 공간(void)’의 생성 원인을 재해석했다. 기존 학계에서는 양극 입자의 부피 수축을 주요 원인으로 지목했으나, 연구팀은 고체전해질의 산화 분해로 인해 전해질이 소실되면서 기계적 결함이 형성되고, 이것이 리튬 이동을 물리적으로 차단한다는 사실을 밝혀냈다.
이어 진행된 NCM 양극재 연구에서는 양극과 고체전해질의 반응으로 형성된 양극 전해질 계면(CEI)이 성장함에 따라 리튬 확산 경로(Li diffusion pathway)가 차단되는 현상을 확인했다. 특히 니켈(Ni) 함량이 일정 범위 내에서 증가할수록 오히려 황화물계 고체전해질과의 반응성이 감소한다는 새로운 경향성을 발견했으며, 반대로 코발트(Co) 및 그 부산물들이 CEI 형성을 가속화할 수 있음을 제안했다.
이번 연구는 전고체전지의 기계적 결함(void, 확산 경로 차단 등)이 근본적으로는 계면의 화학적 불안정성에서 촉발된다는 점을 명확히 함으로써, 향후 소재 설계 시 ‘계면 화학 제어’가 필수적임을 시사하는 중요한 가이드 라인을 제시했다.
논문: “Interfacial Degradation Mechanism of Nanostructured LiCoO2 for Li6PS5Cl-Based All-Solid-State Batteries”, Chemistry of Materials, 36, 10, 5215-5227 (2024)
DOI: 10.1021/acs.chemmater.4c00629
논문: “Mechano-Electrochemical and Structural Insights into Composition-Driven Behavior of LiNi1-x-yCoxMnyO2 (0.3 < 1-x-y ≤ 0.8) Cathodes in Sulfide-Based All-Solid-State Batteries”, Advanced Functional Materials, e17263 (2025)
DOI: 10.1002/adfm.202517263
