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폭발·화재 위험 없는 배터리 상용화 이룬다....KIST, 슈퍼 이온전도성 고체전해질 신소재 개발,
폭발·화재 위험 없는 배터리 상용화 이룬다....KIST, 슈퍼 이온전도성 고체전해질 신소재 개발,
  • 장현철 기자
  • 승인 2020.03.26 18:18
  • 댓글 0
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액체전해질과 동등한 이온전도도를 갖는 고체전해질 소재 기술 확보

국내 연구진이 차세대 배터리로 알려진 전고체전지(All-Solid-State Battery)용 고체전해질 신소재의 성능과 양산성을 크게 개선해 주목 받고 있다.

한국과학기술연구원(KIST)은 에너지소재연구단 김형철 박사팀이 기존 배터리에 사용되는 액체전해질과 동등한 수준의 이온전도도를 가지는 황화물계 슈퍼 이온전도성 소재를 개발했다고 26일 밝혔다.

또 함께 발표한 새로운 합성 기술은 기존 대비 공정시간을 3분의1 이상 단축시킬 수 있어 슈퍼 이온전도성 소재의 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것으로 보인다.

나노결정핵 쾌속합성법에 기반한 전고체전지용 고체전해질 기술.최적화된 고에너지밀링 기술로 원하는 나노결정핵을 실시간 형성한 다음, 급속 결정 성장으로 슈퍼 이온전도체를 단시간에 형성하여 전고체전지의 고체전해질로 적용함
나노결정핵 쾌속합성법에 기반한 전고체전지용 고체전해질 기술.최적화된 고에너지밀링 기술로 원하는 나노결정핵을 실시간 형성한 다음, 급속 결정 성장으로 슈퍼 이온전도체를 단시간에 형성하여 전고체전지의 고체전해질로 적용함

현재 전기자동차 및 에너지저장장치(ESS)용 배터리는 액체전해질 기반의 리튬이온전지를 주로 사용하고 있다.

하지만 최근 전지 안전성 문제가 수 차례 부각되면서 가연성 액체전해질을 사용한 기존 배터리 채택에 대한 우려감이 증폭되고 있다.

이를 해결하기 위해 최근 배터리 구성 요소 모두를 고체 물질로 대체한 전고체전지 기술이 큰 주목을 받고 있다.

리튬 이온이 자유롭게 이동할 수 있는 액체전해질과 달리 고체전해질은 리튬 이온의 이동이 고체 격자 내에 구속되어 있어 액체전해질 대비 10분의1에서 100분의1 수준의 낮은 이온전도도를 보유하고 있다.

이는 전고체전지 기술 개발에서 가장 중요하고 어려운 핵심 기술 중 하나로 그 기술적, 경제적 가치가 매우 크다.

KIST 김형철 박사팀은 아지로다이트(argyrodite)라고 불리는 황화물 결정 구조를 활용하여 슈퍼 이온전도성이 구현되는 고체전해질을 개발했다. 그동안 이 결정 구조는 높은 리튬 농도와 구조적 안정성으로 활용 기대감이 컸었지만, 리튬이온이 결정 내 팔면체 케이지(cage)에 갇혀 있는 구조적 특이성으로 이온전도도가 4mS/cm 이하에 머물렀었다.

KIST 김형철 박사팀은 특정 원자 위치에 할로겐 원소인 염소(Cl)를 선택적으로 치환하는 기술을 확보하여 팔면체 케이지를 넘나드는 리튬 이온 경로를 새롭게 발현시켰다.

KIST 연구진이 개발한 새로운 소재는 상온에서 기존 액체전해질과 동등한 수준인 10.2mS/cm의 이온전도도를 확보하고 있으며, 다양한 배터리 운전 조건에서 전기화학적 안정성도 여전히 유지하고 있다.

개발된 슈퍼 이온전도성 고체전해질의 이온전도도 및 이온전도기구 분석 결과로 높은 할로겐 영역에서 케이지 사이 경로 활성화가 확인됨
개발된 슈퍼 이온전도성 고체전해질의 이온전도도 및 이온전도기구 분석 결과로 높은 할로겐 영역에서 케이지 사이 경로 활성화가 확인됨

덧붙여 KIST 연구진이 보고한 새로운 합성법은 슈퍼 이온전도성 소재의 양산성 극대화가 가능해 더욱 주목받았다.

기존 공정은 수 일 이상의 합성 공정이 필요한 데 비해 이 연구에서는 나노결정핵을 실시간으로 형성하는 고에너지 공정과 적외선 급속 열처리 기술을 조합한 간단한 합성법을 제안해 공정시간을 10시간 이내로 단축한 것.

김형철 KIST 박사는 “전고체전지는 일본을 비롯한 외국 연구진이 선두에서 주도하고 있는 상황인데, 우리나라의 원천 기술로 양산성 있는 고성능 배터리 소재 기술을 개발한 것에 큰 의의가 있다”며, “쾌속 공정을 통한 슈퍼 이온전도성 소재의 합성은 대량 생산과 상용화 가능성이 매우 크고, 향후 고체전해질로써 전기자동차와 ESS에 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 나노기술 분야 저명 국제 학술지 ‘Nano Letters’ (IF: 12.279, JCR 분야 상위 5.743%) 최신 호에 게재됐다.

KIST 연구진이 개발한 슈퍼이온전도성 고체전해질 소재의 쾌속 합성 공정 개념도와 전고체전지 적용 사례를 그린 일러스트.
KIST 연구진이 개발한 슈퍼이온전도성 고체전해질 소재의 쾌속 합성 공정 개념도와 전고체전지 적용 사례를 그린 일러스트.

 


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