일본 시즈오카대학의 모리야마코토 강사와 도쿄공업대학의 히토스기타로 교수를 주축으로 하는 연구 그룹이 차세대 축전지로 전기자동차(EV) 등에서 활용이 기대되고 있는 전고체(全固體) 전지의 전해질로 사용할 수 있는 유기분자결정을 개발했다고 최근 발표했다.

종래 기술과 비교해, 저온에서도 수월하게 작동할 수 있다는 점이 특징으로, 겨울철 기온이 영하로 떨어지는 추운 지역에서 사용되는 자동차 등에 응용할 수 있는 가능성을 열었다고 니혼게이자이신문 등은 평가한다.

전고체 전지는 자동차나 사물인터넷(IoT) 기기의 전지로 개발이 진행되고 있는 차세대 축전지이다. 양극과 음극 사이에 설치되는 전해질을 고체로 한다. 일반적인 리튬이온 전지는 전해질로 액체를 사용하는데, 공기에 닿을 경우 발화 위험이 있다. 탑재한 전기자동차가 사고를 일으켰을 경우의 안전성에 문제가 제기되고 있기 때문에 화재의 위험이 없는 고체 전해질을 사용한 전지가 필요하다는 요구가 커지고 있다.

이에 따라 유리 등의 무기물이나 폴리머 등의 유기물 소재를 활용한 고체 전해질의 개발이 검토되고 있다. 하지만 소재가 단단하기 때문에 가공하기 어렵다는 단점이 있다. 이온 전도성의 높이와 전해질로서 적합한 성형을 양립할 수 있는 기술이 요구되고 있지만, 지금까지 발견된 소재에서는 실용화에 어려움이 있다.

연구팀은 리튬 아미드(LiFSA)와 스크 시노 니트릴(SN)을 조합한 ‘분자 결정 전해질’이라는 고체 전해질을 개발했다. ‘분자 결정 전해질’은 리튬염이나 유기분자의 결합이나 반응 비율을 잘 조절해 결정에서 분자를 규칙적으로 나열한다. 이온 통로를 분자로 만들어 내는 게 가능해 전도율이 높아진다.

새로 개발된 전해질은 상온에서는 지금까지 개발된 ‘분자 결정 전해질’의 최고치와 전도성이 같지만, 섭씨 영하 20도에서는 100배 높다고 한다. 한랭지에서의 기능이 원활해, 전기자동차용 전고체 전지의 소재로 기대할 수 있다.

제조 공정도 간편하게 할 수 있다. LiFSA와 SN을 혼합해 가열한 후 실온으로 냉각하는 것으로 단결정을 얻을 수 있다고 한다. 다시 가열하면 액체 상태로 돌아가고, 냉각하면 다시 결정 상태로 변화가 진행된다. 액체처럼 전지를 수월하게 제작할 수 있으며 전지로 실용할 때에는 고체로 다룰 수 있다. 생산 면에서도 실용 면에서도 사용하기 쉬운 전해질인 것이다.

연구팀은 분자 결정의 물성을 살린 새로운 전해질의 개발을 해나갈 계획이다. 분자 결정은 열로 융해해도 냉각하면 다시 결정체가 된다. 이 때문에 전지 팩에서 전극이 팽창하거나 수축하거나 해도, 열을 가해 전해질을 액화시킴으로써 불필요한 공간을 채울 수 있게 될지도 모른다. 또한 사용 중에 고체 전해질에 금이 생긴 경우에도 대전류로 가열해 액화시키는 방법으로 스스로 복구하는 전지의 개발로 이어질 가능성도 있다고 니혼게이자이신문은 전한다.