200회 충·방전에도 에너지 효율 유지…GIST·LG엔솔, 전고체 배터리 기술 개발

GIST·LG엔솔·KETI 공동 연구진
수소화-황화물계 고체 전해질 개발

광주과학기술원(GIST) 연구진은 LG에너지솔루션과 한국전자기술연구원과 함께 새로운 전고체 배터리 기술을 개발했다. 왼쪽부터 이태경 GIST 석사과정생, 김상륜 교수./GIST

국내 연구진이 200회의 충·방전 후에도 100% 가까운 효율을 보여주는 전고체 배터리 기술을 개발했다. 화재와 폭발 위험은 낮고 에너지 밀도는 높은 꿈의 배터리 기술 상용화에 한 걸음 더 다가갔다.

광주과학기술원(GIST)은 김상륜 에너지융합대학원 교수 연구팀이 LG에너지솔루션, 한국전자기술연구원(KETI) 공동 연구팀과 함께 리튬 메탈에 대해 안정된 반응을 보이는 수소화-황화물계 고체 전해질을 개발했다고 22일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘ACS Energy letters’에 실렸다.

최근 전기자동차 화재로 배터리에 대한 관심이 커지고 있다. 화재와 폭발 위험이 낮은 차세대 배터리인 전고체 배터리가 언제 상용화될 지에 대해서도 관심이 크다. 전고체 배터리는 양극과 음극 사이 액체 전해질을 고체로 대체해 화재 위험을 낮추고 에너지 밀도는 높인 기술이다.

전 세계에서 다양한 전고체 배터리 기술 개발이 진행 중인 가운데, GIST와 LG에너지솔루션, KETI 공동 연구진은 수소화-황화물계 고체 전해질을 선보였다. 연구진이 새로 선보인 기술은 기존 아지로다이트(은, 게르마늄, 황이 결합된 희귀광물) 구조의 황화물계 고체 전해질이 갖고 있던 한계를 극복하고, 고전압·고전류 환경에서도 전고체 배터리가 안정적으로 구동할 수 있게 해준다.

기존 황화물계 고체 전해질은 니켈(Ni)과 코발트(Co), 망간(Mn)을 이용해 양극재로 사용하는 ‘NCM’ 전고체 배터리에 불안정한 반응을 보였는데, 연구진이 선보인 기술을 이용해 안정성을 높일 수 있다.

연구진은 수소화-황화물계 고체 전해질을 통해 NCM 리튬 전고체 배터리에 적용한 결과, 고전류 밀도에서 200회 충·방전 후에도 쿨롱 효율이 100% 근접했다고 밝혔다. 쿨롱 효율은 배터리에서 전기에너지를 화학에너지로 변환하는 효율로 에너지를 저장하고 방전할 때 저장한 만큼 돌려주는 지를 보여주는 지표다.

김상륜 교수는 “이번 연구 성과는 향후 수소화물을 활용한 전고체 배터리뿐만 아니라 리튬이온 배터리, 소듐이온 배터리, 포타슘이온 배터리 등 의 차세대 배터리 기술 개발에 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.

참고 자료

ACS energy letters(2024), DOI : https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c01639

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