국제협력으로 전고체 전지 상용화 '한발'…KIST-LLNL, 고전압 환경 고체 전해질 개발

계산과학을 통해 고전압 환경에서 안정적인 성능을 보이는 고체 전해질을 개발했다. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구진이 미국 로렌스리버모어국립연구소(LLNL)와 함께 고전압 환경에서도 안정적인 성능을 보이는 염화물계 고체 전해질을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 류승호 에너지저장연구센터 책임연구원·한상수 계산과학센터 책임연구원이 미국 로렌스리버모어국립연구소(LLNL) 브랜든 우드 박사 연구팀과 함께 계산과학을 통해 고전압 안정형 염화물계 고체 전해질을 개발해 국제 학술지 'ACS 에너지 레터'에 지난 12일 발표했다고 25일 밝혔다. 

LLNL은 미국 국가핵안전관리처 산하의 국가연구소다. 우수한 슈퍼컴퓨팅 시설을 보유하고 있으며 KIST와는 2019년부터 2차전지 분야에서 공동연구를 진행하고 있다.

고체 전해질은 화재나 폭발 등에 취약한 액체 전해질의 대안으로 꼽힌다. 이온전도성이 뛰어난 황화물계 고체 전해질도 있지만 고전압 양극 소재와 결합되면 화학적으로 불안정해져 상용화하는 데 어려움이 있다. 고전압 환경에서도 안정적인 염화물계 고체 전해질이 주목받고 있다. 

연구팀은 화학적 결합력이 강한 불소(F)가 치환된 염화물계 고체전해질(Li3MCl5F)을 개발해 고전압 환경에서의 안정성을 높였다고 밝혔다. KIST 연구팀이 염화물계 고체 전해질의 고전압 안정성 향상 전략을 세우고 LLNL이 슈퍼컴퓨터를 활용해 결과를 계산했다. 계산 결과는 KIST가 실험을 통해 검증했다. 

염화물계 고체 전해질을 전고체 전지에 적용해 고전압 환경에서 전기화학적 안정성을 평가한 결과 액체 전해질이 적용된 상용 리튬이온전지와 유사한 4볼트(V) 이상의 고전압 안정성을 보였다. 

연구팀은 "불소(F)가 치환된 염화물계 고체 전해질은 고전압에서 불안정한 황화물계 고체 전해질을 대체해 전고체 전지의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다"고 설명했다.

공동 연구팀은 향후 소재의 합성 공정, 전극·전지 제조 공정 최적화에 필요한 후속 연구를 수행할 예정이다. 류 책임연구원은 "화재 위험성이 없는 고에너지밀도 차세대 리튬 전고체 전지의 상용화가 앞당겨질 것"이라고 밝혔다. 

[박건희 기자 wissen@donga.com]