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전기차 충전이 느리고, 겨울에는 배터리가 방전되며 안전 문제도 크다는 등, 지금까지 전기차 이용자들을 괴롭히던 난제가 획기적으로 해결될 전망이다. 최근 칭화대 션전(深圳)국제연구원 캉페이위 교수, 허옌빙 교수팀과 톈진대 양취안홍 교수팀이 고체 배터리 분야에서 중요한 돌파구를 마련했다. 이들은 고체 리튬 금속 배터리에 ‘겉은 부드럽고 속은 단단한’ 경사 구조를 구축했다. 이는 리튬 금속 음극 표면에 ‘플라스틱 갑옷’을 입힌 것과 같은데, 오랫동안 업계를 괴롭혀온 고체 배터리 계면(인터페이스) 실패 문제를 해결할 새로운 전략을 제시한다. 관련 연구 성과는 최근 국제 학술지 《네이처》에 온라인 게재됐다.
고체 리튬 금속 배터리는 높은 에너지 밀도와 안전성으로 차세대 동력 배터리의 발전 방향으로 손꼽히며, 전기차와 대규모 에너지 저장 분야에 광범위한 응용 전망을 갖고 있다. 하지만 고체 배터리는 상용화에서 두 가지 큰 과제에 직면해 있다. 바로 빠른 충전과 오랜 수명을 어떻게 동시에 달성할 것인가이다.
모든 배터리 내부에는 ‘보호막’ 역할을 하는 고체 전해질 계면(SEI)이 있다. 기존 고체 배터리의 이 막은 단단하지만 매우 취약해, 한 번 깨지면 충전 속도가 느려질 뿐만 아니라 단락 등 문제를 유발해 고체 배터리가 저온 및 고전류 밀도 환경에서 오랜 수명과 안정적인 순환을 이루기 어렵게 만든다. 결국 급속 충전이나 저온 환경에서는 배터리 수명이 급격히 줄어드는 문제가 있었다.
이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 혁신적으로 ‘플라스틱성이 풍부한 무기 SEI’ 설계 개념을 제시했다. 우수한 기계적 성능, 리튬 이온 전달 성능, 그리고 경사 친리튬/소수리튬 특성을 동시에 갖춘 새로운 플라스틱 SEI를 개발해, 고체 배터리가 고전류 밀도와 저온 환경에서 순환 안정성을 크게 높였다.
실험 결과 ‘플라스틱 갑옷’을 입힌 고체 배터리는 뛰어난 전기화학적 성능을 보였다. 실온 및 15mA/cm²의 전류 밀도, 15mAh/cm²의 면적 용량 조건에서 리튬 금속 대칭 배터리는 4,500시간 이상 안정적으로 순환할 수 있었다. 심지어 –30℃의 저온 환경에서도 대칭 배터리가 5mA/cm² 전류 밀도와 5mAh/cm² 면적 용량 조건에서 7,000시간 이상 안정적으로 순환했다.
연구팀은 “이번 성과는 고체 배터리 계면 실패 문제 해결에 새로운 전략을 제시한다. 신형 계면층 설계에 중요한 이론적 근거를 제공했으며, 실용화 고체 배터리의 ‘급속 충전과 긴 수명’이라는 두 마리 토끼를 잡을 수 있는 새로운 돌파구를 찾았다”고 밝혔다.
2025-11-06
(원문보기) https://tech.huanqiu.com/article/4P1js5SVezW
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