화재·폭발 불안 전기차 액체 배터리, 안전한 고체 배터리 교체 길 열리나

단대 최용석·고대 이재철·KIST 정경윤 박사팀, 전고체 배터리 이온전도도 높인 기술 개발
전기자 사용 액체 전해질 배터리 비해 안전도 높지만 이온전도 속도 느려 상용화 한계

단국대는 신소재공학과 최용석 교수 연구팀이 고려대 이재철 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 정경윤 박사와 공동으로 차세대 꿈의 배터리라 불리는 ‘전고체 배터리’의 이온전도도를 높일 수 있는 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

일반적으로 2차전지는 전해질이 배터리의 양극과 음극으로 이온을 이동시켜 전력을 생산한다. 전해질의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 배터리와 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리 등으로 구분된다.

단국대 최용석 교수.

액체 전해질을 사용하는 가장 대표적인 리튬이온 배터리는 에너지 밀도가 높고 수명이 길어 전기자동차, 스마트 기기 등에 널리 사용되고 있다. 그러나 외부의 충격이나 변형으로 분리막이 손상되면 화재와 폭발의 위험이 있다.

전고체 배터리는 충방전에 필요한 전해질을 고체로 사용하며 분리막이 없어 화재·폭발의 위험성이 낮고 에너지 밀도가 높아 ‘꿈의 배터리’로 불린다. 그러나 리튬 이온을 전달하는 이온전도 속도가 느려 상용화에 걸림돌이 되어왔다. 따라서 관련 업계에서는 전고체 배터리의 이온전도도를 높이는 기술 개발에 많은 연구가 이루어지고 있다. 

연구팀은 두 종류의 황화물계 고체 전해질인 황화물(황화 리튬, 오황화인, 게르마늄 이황화물)과 염화물(염화게르마늄, 염화은)의 분말을 고열에서 합성해 높은 이온전도도를 보이는 고체 전해질을 개발했다. 연구팀이 개발한 고체 전해질은 기존 재료 대비 50~80%까지 향상된 이온전도도(2.39, 12.4 mS/cm)를 보여 기존의 액체 전해질과 비슷한 이온전도도(~10 mS/cm)를 보였다.

이종원소 치환을 통한 황화물계 고체전해질의 리튬 확산 거동과 이온전도도 변화.

연구팀은 머신러닝 기반의 원자 모델링 기법을 활용해 원자구조를 다차원적인 나노 구조 단위로 계산했다. 이를 통해 개발한 전해질의 이온전도도가 향상된 원인과 고체 전해질의 이온전도도를 높이는 효과적인 이종 원소 선정 방법도 제시했다.

최 교수는 “이번 연구는 전고체 배터리 개발에 걸림돌이 되어 왔던 이온전도도를 개선해 상용화를 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다”며 “앞으로 고체 전해질의 안정성, 기계적 물성 등 다양한 특성들을 연구해 전고체 배터리에 최적화 시키는 연구를 수행해 나갈 것”이라고 밝혔다.

최 교수가 제1저자로 참여한 이번 연구는 최근 에너지 및 연료 분야 국제 저명 학술지 ‘카본 에너지(Carbon Energy, IF : 19.5)’ 에 연이어 두 편이 게재됐다.

논문명은 ‘Exploring dopant-enhanced ionic conductivity of AgCl-doped Li 7 P 3 S 11 solid electrolytes: Integrating synchrotron Rietveld analysis, DFT, and ANN-based molecular dynamics approaches (AgCl 도핑 시 Li7P3S11고체전해질의 이온전도도 향상 거동 분석’과 ‘Li-ion transport mechanisms in Ge/Cl dual-doped Li 10 GeP 2 S 12 solid electrolytes: Synergistic insights from experimental structural characterization and machine-learning-assisted atomistic modeling (Ge/Cl 이중 도핑 시 Li 10 GeP 2 S 12 고체전해질의 Li 확산 기구’이다.

이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 지역혁신 선도연구센터(RLRC) 사업인 “지속가능한 수소 생산-변환 에너지 생태계(SEHPc)”의 지원을 받아 수행됐다.

김정모 기자 race1212@segye.com