이차전지 끝판왕 ‘전고체전지’…韓·美 연구진, 상용화 청신호 켰다

- KIST-LLNL, 고전압 안정형 고체 전해질 소재 설계 원리 제시

[게티이미지뱅크]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 차세대 꿈의 배터리인 전고체 전지 기술 선점을 위한 경쟁이 치열하다. 폭발적으로 성장해온 리튬이온전지의 발목을 잡는 화재 위험성을 해소하고 높은 에너지밀도를 통해 전기 자동차의 주행거리의 족쇄를 풀어줄 해법이기 때문이다.

한국과 미국 연구진이 리튬이차전지를 대체할 것으로 기대되는 전고체전지 상용화를 앞당길 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 류승호·한상수 박사와 미국 LLNL 브랜든 우드 박사 공동연구팀이 계산과학을 통해 불소(F)가 치환된 고전압 안정형 염화물계 고체 전해질을 개발했다고 밝혔다. LLNL은 미국 국가핵안전관리처 산하의 대표적인 국가연구소로 우수한 슈퍼컴퓨팅 시설을 보유하고 있으며, KIST와 LLNL은 2019년부터 이차전지 분야에서 공동연구를 수행 중이다.

연구팀은 염화물계 고체 전해질(Li3MCl6)의 고전압 안정성 높이기 위해 화학적 결합력이 강한 불소(F)가 치환된 염화물계 고체전해질(Li3MCl5F)의 최적 조성 및 설계 원리를 제시했다. KIST에서 수립한 염화물계 고체 전해질의 고전압 안정성 향상 전략에 대해 LLNL에서는 슈퍼컴퓨터로 결과를 계산하고 이를 다시 KIST에서 실험을 통해 검증했다. 공동연구팀은 우선 계산과학을 활용해 성공 가능성이 높은 소재 설계 방법을 찾고, 이를 실험실에서 추가 검증함으로써 시간과 비용을 절약하는 전략을 채택했다.

연구팀에서 제시한 설계 원리로 합성된 염화물계 고체 전해질을 전고체 전지에 적용해 고전압 환경에서 전기화학적 안정성을 평가한 결과, 액체 전해질이 적용된 상용 리튬이온전지와 유사한 4V 이상의 고전압 안정성을 보였다. 이에 따라 불소(F)가 치환된 염화물계 고체 전해질은 고전압에서 불안정한 황화물계 고체 전해질을 대체해 전고체 전지의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

공동연구팀은 전고체 전지의 상용화를 앞당기기 위해 소재의 합성 공정, 전극·전지 제조 공정 최적화에 필요한 후속 연구를 수행할 예정이다. 한-미 공동연구를 통해 상용화에 성공할 경우, ESS, 전기차 등 이차전지의 최대 수요국 중 하나인 미국에서 전고체 전지의 핵심 요소인 고체 전해질 시장을 선점할 수 있다.

고전압 안정형 고체전해질 설계 전략.[KIST 제공]

KIST 류승호 박사는 “이번 연구 성과는 불소가 치환된 고전압 안정형 염화물계 고체 전해질에 대한 새로운 설계 원리를 제시한 것으로 화재 위험성이 없는 고에너지밀도 차세대 리튬 전고체 전지의 상용화가 앞당겨질 것”이라고 말했다.

브랜든 우드 박사는 “새로운 고체 전해질 개발을 위해 계산과학 기반의 설계 원리를 제시하고, 이를 실험으로 검증한 체계적인 국제협력 연구”라고 말했다.

이번 연구성과는 에너지 소재 분야 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스’ 최신호에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com