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최근 전기자동차의 수요가 커지면서 배터리 성능과 안정성을 높이는 연구가 활발히 진행 중이다. 특히 전기차 화재 등 안전사고의 원인이 되는 ‘열폭주’는 학계의 중요 과제로 주목받는다. 특히 그 중에서도 전해질의 분해 문제가 열폭주의 원인이자 난제로 꼽히고 있다.
리튬 이온 배터리의 핵심 소재는 크게 양극재·음극재·전해질·분리막으로 구분되는데 전해질로는 액체 전해질이 현재 일반적으로 쓰인다. 액체 전해질은 배터리에서 리튬 양이온의 이동로를 제공하는데 전극과의 계면에서 전해질 사이에 형성된 얇은 층을 고체전해질막이라고 한다.
고체전해질막은 때때로 리튬 덴드라이트 형성을 억제하는 등 긍정적 작용을 하지만 불균일하게 막이 생기거나 여러 이유로 분해가 일어나면 전해액과 반응해 소재 분해가 일어나고 화재로 이어진다.
김경학 교수팀은 이런 문제를 극복하기 위해 밀도범함수이론(DFT) 기반 시뮬레이션으로 음극 고체전해질막의 분해 메커니즘을 원자단위에서 규명했다. 또한 음극 고체전해질막의 주요 구성 요소(LMC)를 모델링 해 분해될 수 있는 경로들을 비교·분석, 6단계 과정으로 음극 고체전해질막의 분해가 이뤄짐을 밝혀냈다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터 지원을 받아 수행했다. 김경학 교수는 “전기자동차 시장의 더 큰 성장을 위해서는 ‘안정성 확보’가 중요하다”며 “배터리 열폭주를 방지하기 위해 안정적인 배터리 소재를 개발하도록 지속적으로 연구하겠다”고 밝혔다.
