전고체 배터리의 전해질 성능 높이는 핵심 메커니즘 규명
- 단일 용매 습식공법으로 고체전해질 내 치환 농도 한계 극복 -
□ 전고체 배터리*의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 핵심 메커니즘이 국내 연구진에 의해 규명돼 주목된다.
* 전고체 배터리 : 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 ‘전해질’을 기존 가연성의 액체에서 고체로 대체한 전지. 폭발의 위험에서 자유롭고, 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 차세대 배터리로 각광받고 있음.
□ 한국연구재단(이사장 홍원화)은 고려대학교 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 밝혔다.
□ 높은 이온 전도도를 가진 황화물계 리튬이온 전도체 리튬 아지로다이트는 전고체 배터리 개발의 핵심 소재로 꼽히지만, 다량의 에너지와 시간을 필요로 하는 기존의 제조공정은 한계로 지목되고 있다.
⃝ 이러한 한계를 극복하기 위해 습식 공정 기반의 합성법을 연구하고 있지만, 긴 반응 시간, 부산물 생성, 양성자성 용매 사용으로 인한 유해 가스 발생 등 해결해야 할 과제는 산적한 상황이다.
⃝ 무엇보다 습식 공정을 활용해 고성능의 최종 생성물을 얻기 위한 반응 메커니즘 및 공정 변수 제어에 대한 심층적인 연구는 아직 미흡한 실정이다.
□ 이에 연구팀은 전고체전지용 황화물계 리튬이온 전도체 합성공정에 ‘단일 용매 매개 방식(single-solvent-mediated approach)*’습식 공정을 도입, 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.
* 단일 용매 매개 방식 : 전구체 혼합을 위해 두 가지 이상의 용매를 사용하지 않고, 하나의 용매 (Acetonitrile)만을 사용하는 습식공정.
⃝ 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 됐는데, 이는 결과적으로 이온 전도도 향상의 핵심 메커니즘으로 입증됐다.
⃝ 실제로 새로운 공법으로 제조된 고체 전해질은 치환 전 1.7mS/cm-1에서 약 3.1mS/cm-1의 높은 이온 전도도를 나타내 기존 방식 대비 뛰어난 성능을 증명했다.
□ 특히 이번 연구는 고체 전해질 성능 향상의 핵심 원리를 과학적으로 밝혀냈다는 점에서 학술적 가치가 매우 높다.
⃝ 김동완 교수는 “이번 연구의 가장 큰 의의는 차세대 전고체 배터리 핵심 소재의 성능을 획기적으로 향상시키는 메커니즘을 규명했다는 점”이라며, “향후 더욱 안전하고 고성능의 전고체 배터리 개발을 위한 후속 연구를 적극적으로 추진해 나갈 것”이라고 강조했다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 메터리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 3월 25일 게재되었다.
