▲ (左) 고체 전해질 입자 표면 이온 저항층을 제거하는 건식 식각 공정 (右) 실제 식각 전후 고체전해질 전자현미경

국내 연구진이 이차전지를 더욱 안전하게 만들 수 있는 새로운 전해질소재를 개발해 이차전지연구를 촉진할 수 있을 것으로 기대된다.

한국전자통신연구원(ETRI) 신동옥 박사와 KAIST 김상욱 교수팀(이명주 UST 박사과정생)은 유기-무기 전해질 간 계면 이온저항층을 제거해 이온전도도와 충·방전 성능을 향상한 하이브리드 전해질을 개발했다고 17일 밝혔다.

기존 이차전지는 불에 잘 타는 액체 전해질을 사용해 폭발 위험성이 높았다. 전해질을 고체로 바꾸면 온도 변화나 외부 충격에 의한 위험성을 낮추면서도 디자인도 자유롭게 구현할 수 있다. 하지만 소재에 따라 계면 저항이 높거나 공정이 어려운 등 여전히 한계가 있었다.

이에 ETRI는 유기물, 무기물 소재를 섞어 안전하면서도 높은 전도도를 지니는 하이브리드 전해질을 개발했다. 개별 소재만으로 만들었을 때 나타나는 단점을 극복하면서도 우수한 전지 성능을 확보한 것이다.

ETRI는 제조 공정에서 무기 고체 전해질 소재 표면에 자연적으로 형성되는 이온 저항층이 전도 성능을 낮추는 원인임을 밝혔다. 하지만 일반적으로 무기 고체 전해질 소재는 특성상 형태가 분말 모양이어서 손상 없이 표면에 있는 이온 저항층만 제거하는 데 기술적으로 어려움이 있었다.

이에 연구진은 반도체 공정에 활용되는 ‘건식 식각법’을 활용했다. 본 공정은 반응성 기체, 이온 등을 이용해 특정 부위를 제거하는 방법이다. 일반적인 이방성 식각 공정과 달리 등방성 건식 식각법을 이용해 고체 전해질 측면이나 하단 부분까지 이온 저항층을 빠르게 제거할 수 있다.

연구진은 이온 저항층이 제거된 계면을 가지는 고체 전해질 입자를 기반으로 하이브리드 전해질을 제조했다. 이온전도도가 기존 전해질에 비해 2배 향상됐고, 이것을 기반으로 한 전지의 충·방전 성능 또한 3배 향상됐다.

이 방식은 제조 공정도 간단하고 기존 이차전지 설비를 그대로 활용할 수 있어 대량 생산이 가능하다. 무엇보다 단일 전해질 소재 위주로 개발이 이뤄진 기존의 한계를 극복하면서 하이브리드 전해질 연구의 새로운 장을 열었다는 평가를 받는다.

신동옥 박사는 “새로운 개념으로 전해질을 설계하면서 보다 폭넓은 이차전지 연구가 가능해졌다. 앞으로 더욱 다양한 유무기 하이브리드 전해질 연구를 통해 안전하면서도 높은 성능을 지닌 이차전지를 개발하겠다”고 밝혔다.

향후 연구진은 충방전 효율을 높이기 위해 전극과 전해질 사이에 있는 계면을 제어하는 연구와 전해질 두께의 최적화를 통해 에너지 밀도를 높이는 등 전지 설계 관점에서 후속 연구를 진행할 계획이다.

한편, 본 성과는 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈’ 최신 호에 온라인으로 게재되면서 우수성을 입증 받았다.