값싸고 안정적인 차세대 전고체 전지 소재 기술 개발

차세대 전고체전지 소재 개발 연구에 참여한 연구자들. 윗줄 왼쪽부터 연세대 정윤석 교수, 연세대 곽히람 박사(제1저자), 연세대 김종석 연구원. 아랫줄 왼쪽부터 UNIST 서동화 교수, UNIST 김재승 연구원, 동국대 남경완 교수, 동국대 한다슬 연구원. /연세대

국내 연구진이 꿈의 배터리로 평가받는 차세대 전고체 전지의 소재 기술을 개발했다.

정윤석 연세대 교수와 서동화 울산과학기술원(UNIST) 교수, 남경완 동국대 교수 연구팀은 전고체 배터리 소재로 사용되는 값싸고 대량생선에 유리한 고이온 전도성 ‘할라이드계 금속산화물-고체전해질 나노복합체’를 개발했다고 8일 밝혔다.

전고체 전지는 2차전지인 리튬이온전지를 대체할 차세대 꿈의 배터리로 평가받는다. 리튬이온전지는 발화 시 연료가 되는 유기계 액체전해질을 쓰는데, 전고체 전지는 이를 난연성의 고체전해질로 대체해서 불이 나거나 폭발할 위험이 적다. 여러 단위셀을 촘촘하게 붙여서 에너지 밀도가 좋고 높은 출력을 낸다.

전고체 전지의 소재 개발은 아직 더딘 편이다. 황화물계 고체전해질이나 할라이드계 고체전해질이 거론되지만 모두 단점이 있다. 황화물계 고체전해질은 고전압 안정성이 떨어지고 대기 중 수분과 반응하면 독성 기체인 황화수소를 발생시킨다. 할라이드계 고체전해질은 희토류 금속을 합성해 만들다 보니 가격이 비싸다.

연구팀이 개발한 금속산화물-고체전해질 나노복합체(ACl-ZrO2-A2ZrCl6)는 희토류 금속이 아닌 비교적 흔한 지르코늄(Zr) 기반의 소재를 사용해 가격이 저렴하고 대량 생산에 유리하다. 계면이온전도 현상을 이용해 이온전도도도 1mS/㎝ 이상을 기록하는 등 전기화학적 안정성도 우수하다.

정 교수는 “이번 연구는 고전적인 고체전해질 개발 방식을 넘어 계면이온전도 현상을 활용해 고체전해질 개발의 새로운 차원을 제시한 결과로, 전고체 전지 상용화에 기여할 수 있을 것이라 기대한다”고 말했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 지난달 28일 게재됐다.

참고자료

Nature Communications, DOI : https://www.nature.com/articles/s41467-023-38037-z