한·미 공동연구진, 전고체전지 에너지 밀도 높이는 데 성공

KIST·LLNL 공동 연구진
플루오린 사용해 전고체전지 안정성 개선
슈퍼컴퓨터로 연구 기간·비용 절감

한국과학기술연구원(KIST)과 미 로렌스리버모어국립연구소 공동 연구진이 고전압 환경에서도 안정적으로 작동하는 전고체전해질을 개발했다. 화학적 결합력이 강한 플로오린(불소·F)를 사용해 안정성을 높였다./한국과학기술연구원

국내 연구진이 미국과의 공동 연구로 전고체전지의 에너지 밀도를 높일 방법을 찾아냈다. 슈퍼컴퓨터를 이용한 설계 검증 방식으로 개발 비용과 기간도 줄일 수 있다. 화재 위험이 없는 전고체전지의 상용화에 기여할 것으로 기대를 모은다.

류승호 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구센터 책임연구원과 한상수 계산과학센터 책임연구원이 이끄는 연구진은 25일 미국 리버모어국립연구소와 공동으로 고전압 안정형 고체 전해질을 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.

리튬이온전지는 고효율·고성능으로 최근 산업계의 전기화를 주도하고 있다. 특히 전기차의 주행 거리가 크게 늘면서 전세계 신차 점유율의 10%를 차지할 정도다. 다만 화재와 폭발에 취약한 액체 유기전해질을 사용하는 만큼 사고의 위험성이 크다는 문제도 있다. 화재에 안전한 고체전해질을 사용하는 전고체전지 연구가 과학기술계와 산업계에서 활발히 이뤄지고 있으나, 아직 리튬이온전지 수준의 성능은 기대하기 어려운 상황이다.

연구진은 고성능의 염화물계 고체전해질을 개발해 전고체전지 상용화 가능성을 높였다. 전고체전지는 전해질의 소재에 따라 크게 염화물계와 황화물계·산화물계·고분자계로 나뉜다. 이 중 황화물계 전고체전지가 현재 가장 높은 성능을 보이고 있다. 다만 에너지 밀도를 높이기 위해 필요한 고전압 양극재와 화학적 불안정성 문제가 있다.

염화물계 전고체전지는 고전압 양극재와 결합이 강해 고전압 환경에서도 안정적인 작동이 가능한 방식으로 주목받고 있다. 그러나 고전압 환경에서 표면 손상이 발생해 성능이 저하되는 단점이 있다. 연구진은 전해질 표면의 안정성을 높이기 위해 화학적 결합력이 강한 플로오린(불소)를 활용했다.

KIST 연구진은 염화물계 고체전해질의 안정성을 높일 수 있는 설계 방식을 제안했다. 설계 방식은 미 로렌스리버모어국립연구소의 슈퍼컴퓨터를 이용해 시뮬레이션으로 검증했다. 그 결과 성공 가능성이 높은 설계 방법을 찾고 실험으로 추가 검증해 염화물계 전고체전지 개발의 시간과 비용을 절약하는 데 성공했다.

이렇게 개발한 전고체전지는 일반적인 리튬이온전지보다 4V 이상의 고전압에서도 안정적인 것으로 나타났다. 황화물계 전고체전지보다 안정한 전고체 전지의 개발이 가능하다는 의미다. 연구진은 후속 연구를 통해 상용화 연구를 이어간다는 계획이다.

류 책임연구원은 “고전압 안정형 염화물계 고체전해질의 새로운 설계 원리를 제시했다”며 “화재 위험성이 없는 고밀도 전고체전지의 상용화가 앞당겨질 것”이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘ACS 에너지 레터스’에 지난달 4일 소개됐다.

참고자료

ACS Energt Letters, DOI: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c02307

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