비용 낮추고 성능 높였다, 차세대 염화물 전고체 배터리 전해질 개발

서울대, "금속 이온 배열 조절해 高이온전도성 삼방정계 염화물 고체 전해질 개발 전략 제시"

기존 전고체 배터리 소재의 한계를 넘는 신규 염화물 고체 전해질이 개발됐다.

서울대(총장 유흥림)는 이차전지혁신연구소 강기석 교수 연구팀이 전고체 전지 핵심 소재인 고체 전해질의 성능을 높이는 신규 소재를 개발했다고 밝혔다. 화재 위험이 적고 에너지 밀도가 높은 전고제 전지의 상용화에 기여하리란 기대다.

이 연구는 학술지 '사이언스'에 2일(현지시간) 실렸다.

현재 전고체 전지엔 주로 황화물계나 산화물계 전해질이 쓰인다. 이들은 이온전도도는 높지만, 필요에 따라 형태를 바꾸거나 전기화학적 안정성을 확보하기엔 어려움이 있었다. 대안으로 제시된 염화물 전해질은 이온전도도와 기계적 물성, 안정성 등은 좋지만 이트륨·스탐튬 등 비싼 희토류 금속을 써야 해 경제성이 낮았다.

연구팀은 상대적으로 저렴한 지르코늄 원소를 활용해 합성 가능한 삼방정계 구조의 염화물 고체 전해질에 주목했다. 삼방정계 염화물 전해질은 가격은 낮출 수 있으나 이온전도도가 떨어진다는 문제가 있었다. 또 합성 방법에 따라 소재 구조의 편차와 이온전도도의 차이가 큰 것도 상요화를 가로막았다.

삼방정계 염화물 고체 전해질의 설계 전략 모식도 (자료=서울대)

연구팀은 이러한 소재의 편차가 삼방정계 염화물 고체 전해질 구조의 특이성에서 기인한다는 점을 밝히고, 구조 안에서 금속 이온의 조성과 배치가 리튬 이온의 전도성에 미치는 영향을 세계 최초로 규명했다.

특히 리튬이 이동하는 경로에 메탈 이온이 인접해 존재하는 경우, 정전기적 반발력으로 리튬 이동이 제한되는 반면, 메탈 이온의 점유율이 너무 낮으면 도리어 리튬이 이동하는 경로가 좁아져 리튬 이동에 방해가 된다는 사실도 밝혔다.

연구진은 이러한 상충하는 요소들을 적절히 조절해 전해질을 설계해 이온전도성이 높은 소재를 얻었다. 리튬 이동 경로가 충분히 넓고 메탈 이온의 반발력에 의해 고립되는 리튬 이온을 최소화하는 전해질을 조성하기 위한 소재 설계 전략을 제시하고, 이를 기반으로 이온전도성이 좋은 지르코늄계 신규 염화물 고체 전해질을 개발했다.

이번 연구는 금속 이온 배치에 따른 삼방정계 염화물 고체 전해질의 이온 전도성 변화를 규명하고, 새로운 전해질 설계 전략을 제시했다. 향후 다양한 염화물계 고체 전해질 개발로 이어질 것으로 연구진은 내다봤다. 또 경제성과 안정성을 두루 갖춘 신규 고체 전해질 발견과 더불어 전고체 전지 상용화의 촉진제로 작용하리란 기대다.

이 연구는 한국연구재단 나노 및 소재 기술개발사업 미래기술연구실과 롯데에너지머터리얼즈의 지원으로 수행됐다.