▲ 최적화된 고에너지밀링 기술로 원하는 나노결정핵을 실시간 형성한 다음, 급속 결정 성장으로 슈퍼 이온전도체를 단시간에 형성해 전고체전지의 고체전해질로 적용했다.

국내 연구진이 차세대 배터리로 알려진 전고체전지(All-Solid-State Battery)용 고체전해질 신소재의 성능과 양산성을 크게 개선하는데 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진) 에너지소재연구단 김형철 박사팀은 기존 배터리에 사용되는 액체전해질과 동등한 수준의 이온전도도를 가지는 황화물계 슈퍼 이온전도성 소재를 개발했다고 26일 밝혔다. 또한 함께 발표한 새로운 합성 기술은 기존 대비 공정시간을 1/3 이상 단축시킬 수 있어 슈퍼 이온전도성 소재의 상용화가 기대되고 있다.

현재 전기차 및 에너지저장장치(ESS)용 배터리는 액체전해질 기반의 리튬이온전지(LIB)를 주로 사용하고 있으나 가연성을 가지고 있어 안정성에 대한 우려가 크다.

이에 최근 배터리 구성 요소 모두를 고체 물질로 대체한 전고체전지 기술이 큰 주목을 받고 있으나 액체전해질 대비 1/10에서 1/100 수준의 낮은 이온전도도가 상용화의 발목을 잡고 있다.

KIST 김형철 박사팀은 아지로다이트(argyrodite)라고 불리는 황화물 결정 구조를 활용해 슈퍼 이온전도성이 구현되는 고체전해질을 개발했다. 그동안 이 결정 구조는 높은 리튬 농도와 구조적 안정성으로 활용 기대감이 컸었지만, 리튬이온이 결정 내 팔면체 케이지(cage)에 갇혀 있는 구조적 특이성으로 이온전도도가 4mS/cm 이하에 머물렀었다.

이에 연구팀은 특정 원자 위치에 할로겐 원소인 염소(Cl)를 선택적으로 치환하는 기술을 확보하여 팔면체 케이지를 넘나드는 리튬 이온 경로를 새롭게 발현시켰다. KIST 연구진이 개발한 새로운 소재는 상온에서 기존 액체전해질과 동등한 수준인 10.2mS/cm의 이온전도도를 확보하고 있으며, 다양한 배터리 운전 조건에서 전기화학적 안정성도 여전히 유지하고 있다.

또한 연구팀이 보고한 새로운 합성법은 나노결정핵을 실시간으로 형성하는 고에너지 공정과 적외선 급속 열처리 기술을 조합한 간단한 합성법을 제안해 공정시간을 10시간 이내로 단축함으로써 슈퍼 이온전도성 소재의 양산성 극대화가 가능하다.

연구를 주도한 KIST 김형철 박사는 “쾌속 공정을 통한 슈퍼 이온전도성 소재의 합성은 대량 생산과 상용화 가능성이 매우 크고, 향후 고체전해질로써 전기자동차와 ESS에 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)이 지원한 KIST 주요사업과 기후변화대응기술개발사업, 산업통상자원부(장관 성윤모)와 방위사업청(청장 왕정홍)이 지원한 민군겸용기술개발사업 등으로 수행됐다. 이번 연구결과는 나노기술 분야 저명 국제 학술지 ‘Nano Letters’ (IF: 12.279, JCR 분야 상위 5.743%) 최신 호에 게재됐다.