최용석 단국대 교수팀, 전고체 배터리 이온전도도 향상 '눈길'

최용석 단국대 신소재공학과 교수./사진제공=단국대

단국대학교는 최근 최용석 신소재공학과 교수 연구팀이 차세대 꿈의 배터리라 불리는 '전고체 배터리'의 이온전도도를 높일 수 있는 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

2차전지는 전해질이 배터리의 양극과 음극으로 이온을 이동시켜 전력을 생산한다. 전해질의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 배터리와 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리로 나뉜다.

리튬이온 배터리는 에너지 밀도가 높고 수명이 길어 전기자동차와 스마트 기기 등에 사용되고 있다. 그러나 외부의 충격이나 변형으로 분리막이 손상되면 화재와 폭발의 위험이 있다.

전고체 배터리는 충방전에 필요한 전해질을 고체로 사용한다. 분리막이 없어 화재 및 폭발의 위험성이 낮고 에너지 밀도가 높아 '꿈의 배터리'로 불린다. 하지만 리튬 이온을 전달하는 이온전도 속도가 느리다는 한계가 있다.

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

또한 머신러닝을 기반으로 한 원자 모델링 기법을 통해 원자구조를 다차원 나노 구조 단위로 계산했다. 전해질의 이온전도도가 향상된 원인은 물론 고체 전해질의 이온전도도를 향상할 수 있는 이종 원소 선정 방법도 제시했다.

최 교수는 "이번 연구는 전고체 배터리 개발에 걸림돌이었던 이온전도도를 개선했다는 점에서 의미가 있다"며 "고체 전해질의 안정성과 기계적 물성 등 다양한 특성을 연구해 전고체 배터리를 최적화하는 후속 연구를 이어가겠다"고 말했다.

한편 최 교수팀은 이재철 고려대 교수, 정경윤 한국과학기술연구원(KIST) 박사 등과 함께 연구를 수행했으며, 한국연구재단이 추진하는 지역혁신 선도연구센터(RLRC) 사업 '지속가능한 수소 생산-변환 에너지 생태계'(SEHPc)의 지원을 받았다.

연구결과는 '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)와 '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)이라는 제목으로 에너지·연료 분야 국제학술지 '카본에너지'(Carbon Energy, IF=19.5)에 게재됐다.

최용석 단국대 신소재공학과 교수팀의 연구자료 이미지./사진제공=단국대

권태혁 기자 taehkd@mt.co.kr