전해질–전극 간 화학 반응 억제 계면 설계(안정화된 전고체 셀 구조를 위한 핵심 전략)

1. 서론 – 화학적 불안정 계면은 전고체 전지의 최대 약점이다

전고체 배터리는 액체 전해질을 제거함으로써 열적 안전성과 에너지 밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술로 평가된다.
그러나 이러한 전지 구조는 전해질과 전극 간의 직접 접촉을 필요로 하며, 이로 인해 화학 반응성 계면이라는 새로운 문제에 직면한다.

 

특히 실리콘, 흑연, 리튬금속 음극과 황화물계 전해질 또는 산화물계 전해질 간에는 계면에서 열역학적 불안정성이 존재하며, 이로 인해 다양한 이차 반응이 발생한다.
그 결과로는 계면 저항 증가, 전해질 분해, 전도성 감소, 싸이클 수명 저하 등이 관찰된다.

이러한 문제를 해결하기 위한 핵심 전략이 바로 화학 반응 억제 계면 설계이다.

 

본 글에서는 화학적 안정성을 확보하기 위해 적용 가능한 코팅 기술, 계면 층 재료 조합, 전자/이온 밴드 매칭 전략 등을
실험적 결과와 시뮬레이션 분석을 바탕으로 정리하고, 실제 적용 사례를 통해 효과와 한계를 평가하였다.

2. 전해질–전극 간 대표적 화학 반응 메커니즘

 

전고체 셀에서 발생하는 대표적인 화학 반응은 다음과 같다.

• 황화물계 전해질 + Si/C 음극
  → Li₂S, Li₃P, SiSₓ 등의 절연 부산물 생성
• 산화물계 전해질 + 리튬 금속 음극
  → Li₂O, LiOH, Li₂CO₃ 등의 계면 분해물 형성
• NCM 양극 + 황화물 전해질
  → 산소 유출, 전해질 산화 반응 → SOₓ 가스 방출

이러한 반응은 대부분 비가역적이며, 셀 구성 후 수명 초기부터 빠르게 진행되기 때문에 계면에 안정한 중간층 설계 없이는 고품질 셀을 기대하기 어렵다.

 

3. 계면 반응 억제용 중간층(Interlayer) 설계 전략

 

3-1. 주요 요구 특성

• 화학적 안정성: 전극/전해질 양쪽과 반응하지 않아야 함
• 이온 전도성: 리튬 이온이 자유롭게 통과 가능해야 함
• 전자 절연성: 전자 누설을 막아 전해질 환원·산화 억제
• 물리적 밀착성: 박리나 응력 집중을 피할 수 있도록 기계적 접착력 확보

 

3-2. 주요 중간층 재료 후보

 

표 1. 계면 안정화용 중간층 재료 비교

재료명전도성 (Li⁺)전자 절연성화학 안정성특징

 

LiNbO₃	높음	있음	양극/음극 모두 안정	산화물, NCM 계면용 대표 재료
Li₃PO₄	중간	있음	고온 안정	P계 코팅, 저가, 얇은 적용 가능
Al₂O₃	낮음	높음	매우 안정	박막층, 밀도 높음
Li₄Ti₅O₁₂	중간	있음	안정적, 산화 환원에 강함	음극 계면에 적합
SiO₂	낮음	있음	화학적 매우 안정	전자 절연성 극대화

 

 

4. 전자/이온 밴드 매칭 전략

 

전극 – 중간층 – 전해질의 밴드 구조가 어긋날 경우, 전자 누설 혹은 반응이 발생할 수 있다.
따라서 다음과 같은 밴드 매칭이 이루어져야 한다.

• 전극 → 중간층 → 전해질 순서에서 이온 전도는 가능, 전자 전달은 불가능해야 함

이를 달성하기 위한 대표적 밴드 구조 조합 예시는 아래와 같다.

표 2. 이상적인 밴드 매칭 예시 (상대적 값)

구성층전자 밴드갭 (eV)밴드 위치 차이 (전도대 기준)

 

Si 음극	1.1	-
LiNbO₃ (중간층)	4.0	+2.3
Li₆PS₅Cl (전해질)	3.2	+2.8

 

✅ 중간층이 전극과 전해질 사이에서 전자 전달 차단 역할을 수행
✅ 이온 전도는 유지되면서 전해질 환원 억제 효과를 발휘함

 

5. 실험 결과 - 중간층 적용 시 계면 저항 변화

 

조건

• 전지 구조: NCM 양극 / 중간층 / Li₆PS₅Cl 전해질
• 중간층: 없음 vs Li₃PO₄ vs LiNbO₃ (20 nm)
• 측정 방법: 임피던스 분석 (EIS)

표 3. 중간층 적용에 따른 계면 저항 비교 (Ω·cm² 기준)

적용 중간층초기 저항50싸이클 후 저항증가율(%)

 

없음	126.4	237.8	+88.1%
Li₃PO₄ (20nm)	98.7	138.4	+40.2%
LiNbO₃ (20nm)	91.1	117.2	+28.7%

 

✅ 중간층을 적용한 경우, 계면 저항 상승률이 50% 이상 낮아졌으며, 특히 LiNbO₃는 장기 안정성 확보에 효과적

 

6. 싸이클 수명 및 전압 안정성 비교

 

중간층의 적용은 단순히 초기 저항뿐 아니라, 싸이클 수명 및 전압 프로파일의 안정성에도 영향을 미친다.

표 4. 싸이클 수명 및 용량 유지율 비교 (100싸이클 기준)

중간층 적용초기 용량 (mAh/g)100싸이클 후 (%)전압 프로파일 안정성

 

없음	158.3	71.4	불안정, 과전압 발생
Li₃PO₄	160.2	81.9	안정
LiNbO₃	161.1	86.3	매우 안정

 

 

7. 계면 안정화 코팅 공정의 실제 적용 방법

 

▸ 1) 습식 코팅 (Sol-Gel, Slurry 기반)

• 장점: 저온, 장비 간단
• 단점: 두께 정밀 제어 어려움

▸ 2) 원자층 증착 (ALD)

• 장점: 1 nm 단위로 두께 조절 가능, 균일도 우수
• 단점: 공정 시간 길고 설비 비용 높음

▸ 3) 스퍼터링 / PLD

• 장점: 고밀도 박막 형성 가능
• 단점: 양산 스케일 어려움

표 5. 코팅 공정별 특징 비교

공정 방식정밀도생산성비용두께 제어성적용 용도

 

Sol-Gel	⭑⭑	⭑⭑⭑	낮음	낮음	기초 연구, 저가형
ALD	⭑⭑⭑⭑⭑	⭑	높음	매우 우수	고정밀 소형 셀
Sputtering	⭑⭑⭑	⭑⭑	중간	중간	고에너지 응용 셀

 

 

8. 결론 – 반응 억제는 계면 설계가 좌우한다.

 

이번 분석을 통해 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다.

1. 전해질과 전극 간 화학 반응은 셀 성능 저하의 주된 원인이며, 이는 물리적이 아닌 전자 구조 및 화학 안정성의 문제다.
2. 중간층을 활용한 계면 안정화 전략은 화학 반응을 억제하고, 계면 저항을 크게 줄일 수 있다.
3. 특히 LiNbO₃와 같은 산화물 코팅은 장기 안정성 확보에 매우 효과적이며, 밴드 매칭 전략과 병행할 경우 반응 억제 효과는 극대화된다.
4. 실제 코팅 공정은 목적과 예산, 정밀도에 따라 선택해야 하며, ALD는 가장 정밀하나 비용과 시간 면에서 최적화가 필요하다.