고에너지 밀도 특성을 보이는 고니켈계 양극재는 불안정한 Ni⁴⁺ 이온의 높은 반응성으로 인해, 양극-전해질 계면에서 결정 구조 붕괴, 산소 방출 및 전해질 분해와 같은 열화 현상이 발생하여 장기 사이클링이 어렵다는 한계를 지닌다.

또한, 이러한 양극재는 대기의 수분(H₂O) 및 이산화탄소(CO₂)와 반응하여 잔류 리튬 화합물을 쉽게 형성하는데, 이는 전극 제조 과정에서 슬러리의 겔화(gelation)를 유발하고, 충방전 중 가스 발생을 초래하여 전지 제조 공정을 어렵게 할 뿐 아니라, 전지의 안정성을 저하시킨다.

본 기술은 이러한 고니켈계 양극재의 고질적인 문제를 해결하기 위해 두 가지 핵심 기술을 적용하였다.

• 수세(washing) 기술: 잔류 리튬을 제거함과 동시에 코발트(Co) 코팅층을 형성
• 고안정성 LiF 코팅 기술: 추가적인 보호막을 형성하여 계면 안정성 향상

이를 통해 잔류 리튬이 제거되고, 이중 보호층이 형성된 고안정성 양극재를 확보하였다.
이 양극재는 **1Ah급 고용량 파우치형 풀셀로 제작되어 상업적 스케일에서도 우수한 성능과 안정성을 검증받았다.

잔류 리튬 제거와 동시에 코발트 코팅층을 형성시키는
수세 기술 및 고안정성 LiF 코팅 기술을 통한 이중 보호층의 시너지 효과

본 성과에서는 코발트 함유 용액을 활용한 수세 공정을 통해 양극 표면의 잔류 리튬 화합물을 제거함과 동시에 코발트 코팅 보호층을 형성하였다.

여기에 LiF 코팅층을 추가 도입하여 ‘이중 보호층’을 구현함으로써, 양극-전해질 계면에서의 열화 반응을 효과적으로 억제하였다.

이러한 수세 기술을 통한 잔류 리튬 화합물 제거 및 표면 안정화 코팅 기술은 양극 표면 열화뿐 아니라 전해액 분해 및 가스 발생 문제까지 종합적으로 해결하여, 결과적으로 고니켈계 양극재의 초장기 사이클링 구현을 가능하게 했다.

고용량 파우치형 전지 평가를 통한 개발 양극재의 실용화 가능성 검증

기존의 양극재 연구는 대부분 코인형 하프셀(half-cell) 수준의 실험실 스케일에서 진행되어, 스케일업(Scale-up) 과정에서 발생하는 다양한 문제를 충분히 반영하기 어려웠다.

특히 전기자동차 등 산업에서 사용되는 고용량 파우치형 풀셀(full cell)에서는 실험실 수준에서는 드러나지 않았던 가스 발생, 전해액 반응, 전지 팽창 등 복합적인 안정성 문제가 더 두드러지게 나타난다.

이에 본 연구에서는 이중 보호층이 적용된 양극재를 활용한 1Ah급 고용량 파우치형 전지를 제작하여, 초장기 사이클링 안정성을 실용화 단계에서 검증하였다.

그 결과, 전해액 분해 및 잔류 리튬 부반응으로 인한 가스 발생이 현저히 감소하였으며, 전지 팽창 최소화 및 전체 셀 안정성 향상이 확인되었다.

황-황화물계 고체전해질 계면 개질 기술

본 연구에서는 황(S)과 황화물계 고체전해질 간의 계면 화학 반응을 유도하여 계면 접촉 문제를 개선한 복합양극 제조 기술을 확립하였다.

이는 고성능 전고체황전지 개발 분야에서 해외 우수 논문으로 게재된 핵심 성과이기도 하다.

황화물계 고체전해질은 높은 이온전도성으로 인해 현재 산업계와 학계 모두에서 가장 활발히 연구되고 있는 전해질 소재이다.

연구팀은 계면 개질을 위해 소량의 용매를 첨가하여 화학반응을 유도하고, 이후 건조 과정을 통해 용매를 제거하였다.

이 과정에서 고체전해질이 용매에 의해 변성되어 이온 전도도가 하락하는 문제를 최소화하기 위해, 약한 극성을 가지면서 낮은 온도에서 쉽게 제거되는 용매(아이소프로필아세테이트)를 최초로 첨가 용매로 활용하였다.

다양한 극성의 용매를 비교한 결과, 극성도 3~5 범위(아이소프로필아세테이트, 아이소프로필뷰티레이트 등)의 용매가 화학반응을 효과적으로 유도하면서 고체전해질의 전도도 저하를 방지함을 최초로 입증하였다.

고에너지 밀도를 갖는 전고체황전지

이 기술을 적용해 제작된 복합양극 및 전고체황전지는 학계에 보고된 전고체황전지 중 가장 높은 복합양극 에너지밀도(684 Wh·kg⁻¹)를 달성하였다.

이는 일반적으로 학계에 보고되는 층상계 옥사이드(NCM 등) 양극 활물질을 이용한 전고체전지의 복합양극 에너지밀도(<600 Wh·kg⁻¹)보다 우수한 수치이다.

연구개발의 완성도

본 연구를 통해 양극재 표면의 잔류 리튬 화합물을 효과적으로 제거하고, 코발트 코팅층 및 LiF 코팅층을 적용함으로써 양극-전해질 계면에서 발생하는 다양한 문제를 종합적으로 해결하였다

특히, 양극-전해질 계면 부반응으로 인한 가스 발생 억제 효과를 XPS, TEM 등 고도 분석 기법을 활용하여 과학적으로 검증하였으며, 실제 전지 팽창 정도를 분석함으로써 개발된 양극재의 우수성을 정량적 결과로 입증하였다.

또한, 1Ah급 고용량 파우치형 풀셀 검증을 통해 개발 양극재의 고에너지 밀도, 장수명 특성, 안정성 향상 효과를 실용화 단계에서 확인하였다.

아울러, 황과 고체전해질 계면에 무기이온전도층을 도입하여 계면 접촉 문제를 해결한 고성능 전고체황전지를 개발하였으며, 황-고체전해질 간 계면 개질을 위한 새로운 방법론을 제시하고 그 일반성까지 확보하였다.

기술수준 향상효과

본 연구는 기존의 잔류 리튬 제거 중심의 수세 기술 수준을 한 단계 도약시켰다.

단순한 제거를 넘어 동시에 안정적인 보호 코팅층을 형성함으로써, 양극재 표면의 화학적 안정성을 극대화하였다.

특히, LiF 코팅층의 추가 도입을 통해 수세 공정만으로는 완전히 제거되지 않았던 잔류 리튬 화합물을 5,000 ppm 이하로 저감시키는 데 성공하였다.

또한, Ni 함량 90% 이상의 고니켈계 조성에서도 양극-전해질 계면 안정화를 달성하여 6,000사이클 이상 초장기 수명 특성을 확보하였다.

더불어, 개발된 전고체황전지 계면 개질 기술은 황의 활용도를 획기적으로 향상시켜, 전고체전지 내에서 황을 효과적으로 사용할 수 있음을 입증한 핵심 원천 기술로 평가된다.

기술개발 촉진효과

본 연구는 고니켈계 양극재의 상업화 스케일 실증을 통해 연구개발의 새로운 방향성을 제시하였다.

특히, 기존의 결정 구조 및 미세 구조 개선 중심의 연구 패러다임에서 벗어나, 양극-전해질 계면 안정화를 통한 고니켈계 양극재 연구의 확장을 이끌어냈다.

이를 바탕으로, Ni 90% 함량을 넘어 Ni 100% 함량의 초고니켈계 양극재 개발이라는
후속 연구의 명확한 목표와 방향성을 제시하였다.

결과로서, 향후 관련 연구자들에게 **실험적 참고 데이터(benchmark data)**로 활용되어 전고체황전지 후속 연구를 촉진하는 계기가 될 것으로 기대된다.

아울러, 황-황화물계 고체전해질 계면 개질 방법은 첨가되는 물질의 종류(염, 용매, 기능성 첨가제 등)에 따라 다양한 응용이 가능하며, 관련 분야 기술개발에 새로운 방향성을 제시하는 기초 연구 성과로서의 의의가 크다.

끝으로, 본 연구는 전고체전지 연구개발의 주요 축으로서 전고체황전지 기술의 잠재성과 필요성을 구체적으로 제시한 성과로 평가된다.