전고체 배터리 성능 획기적으로 높인다

전고체 배터리의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 핵심 메커니즘이 고려대 김동완 교수 연구진에 의해 규명됐다.

이 연구를 통해 개발된 새로운 단일 용매 매개 방식의 습식 합성법은 리튬 아지로다이트 고체 전해질의 다가 양이온 치환 농도 한계를 획기적으로 높임으로써, 기존 기술로는 달성하기 어려웠던 고성능 전고체 배터리 개발의 새로운 가능성을 열었다.

또 이 연구에서 규명된 성능 향상 메커니즘은 향후 더욱 혁신적인 고체 전해질 소재 개발을 위한 중요한 지침을 제공할 것으로 기대되며, 궁극적으로 연구 성과는 안전하고 고성능인 전고체 배터리의 상용화를 앞당겨 전기 자동차, 에너지 저장 시스템 등 미래 에너지 산업 발전에 크게 기여할 것으로 전망된다

한국연구재단(이사장 홍원화)은 16일 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.

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.

이번 연구의 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 메터리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 3월 25일 게재되었다.