전고체 배터리 성능 높이는 원리 찾았다

[아이뉴스24 정종오 기자] 전고체 배터리의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 핵심 메커니즘이 국내 연구팀에 의해 규명돼 주목된다. 전고체 배터리는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 ‘전해질’을 기존 가연성의 액체에서 고체로 대체한 전지를 말한다. 폭발의 위험에서 자유롭고, 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 차세대 배터리로 알려져 있다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 고려대 김동완 교수 연구팀이 차세대 전고체 배터리의 핵심 소재인 리튬 아지로다이트(Li Argyrodite)계 고체 전해질의 성능을 최대화할 수 있는 새로운 공정을 개발하고 성능 향상 메커니즘을 규명했다고 16일 발표했다.

높은 이온 전도도를 가진 황화물계 리튬이온 전도체 리튬 아지로다이트는 전고체 배터리 개발의 핵심 소재로 꼽히는데 다량의 에너지와 시간을 필요로 하는 기존의 제조공정은 한계로 지목되고 있다.

이러한 한계를 극복하기 위해 습식 공정 기반의 합성법을 연구하고 있는데 긴 반응 시간, 부산물 생성, 양성자성 용매 사용으로 인한 유해 가스 발생 등 해결해야 할 과제는 산적한 상황이다.

연구팀은 전고체전지용 황화물계 리튬이온 전도체 합성공정에 ‘단일 용매 매개 방식(single-solvent-mediated approach)’습식 공정을 도입했다. 리튬 아지로다이트 고체 전해질 내 이온 전도도를 높이기 위한 양이온(Si)의 치환 농도를 기존 합성 방식(30%)의 한계를 넘어 40%까지 성공적으로 증가시켰다.

새로운 공정을 통해 제조된 고체 전해질은 입자 크기가 감소하고 표면적 대 부피 비율이 증가했다. 이러한 변화는 치환된 원자들이 공간 전하층(Space charge layer) 내에 더 효과적으로 축적되도록 유도하는 계기가 됐다. 결과적으로 이온 전도도 향상의 핵심 메커니즘으로 입증됐다.

실제로 새로운 공법으로 제조된 고체 전해질은 높은 이온 전도도를 나타내 기존 방식 대비 뛰어난 성능을 증명했다. 이번 연구는 고체 전해질 성능 향상의 핵심 원리를 과학적으로 밝혀냈다는 점에서 학술적 가치가 매우 높다고 한국연구재단 측은 설명했다.

김동완 교수는 “이번 연구의 가장 큰 의의는 차세대 전고체 배터리 핵심 소재의 성능을 획기적으로 향상시키는 메커니즘을 규명했다는 점”이라며 “앞으로 더 안전하고 고성능의 전고체 배터리 개발을 위한 후속 연구를 적극적으로 추진해 나갈 것”이라고 말했다.

연구 성과(논문명: Breaking the Upper Limit of Substitution Concentration in Li Argyrodite Solid Electrolytes Using a Single-Solvent-Mediated Approach)는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 메터리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 3월 25일자로 실렸다.