스마트폰과 노트북용 배터리로 사용하는 리튬(Li) 이차전지 전해질을 고체로 대체할 수 있는 신기술이 개발됐다. 기존에는 가연성 액체를 리튬 이차전지 전해질로 써 왔다. 강한 외부 충격을 받거나 고온에 노출되면 폭발하기도 했다.
한국전자통신연구원(ETRI)은 이영기 책임연구원(과제책임)·신동옥 선임연구원(주개발자) 연구팀과 강기석 서울대 교수 연구팀이 공동으로 세라믹종류의 산화물계(LLZO) 고체 전해질을 개발했다고 6일 밝혔다.
연구결과는 네이처(Nature) 자매지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 최근호에 게재됐다.
연구진은 리튬이온 이동속도를 향상시켜 이온전도도를 높였다. 동시에 고온 열처리 시간과 공정비용을 대폭 줄여 시너지 효과를 낼 수 있는 ‘다중원소 도핑 기술’까지 구현했다.
‘LLZO’(리튬, 란타늄, 지르코늄, 산소)에 상호 시너지를 유발하는 이종 물질(알루미늄, 탄탈륨)을 소량 첨가하는 방법으로 원소 성질을 변화시켰다. ‘LLZO’ 결정구조 내에서 금속원소 도핑 위치를 제어해 이온 전도도를 향상시킬 수 있는 새로운 원리를 규명한 것이다.
고온 열처리 시간은 기존대비 12분의 1 수준인 2시간까지 대폭 줄였다. 이를 통해 이온전도도를 도핑하지 않은 경우에 비해 3배 이상 개선했다.
전기자동차 배터리나 발전소, 군사용 대용량 에너지 저장시스템, 인체와 직접 맞닿는 웨어러블 기기 배터리에 효과적으로 쓰일 것으로 예상된다.
리튬이차전지에 들어가는 황화물(Sulfide)계 소재는 전지 충·방전 효율을 좌우하는 이온 전도도가 액체 전해질에 근접할 만큼 높지만 수분과 산소에 취약해 실제 생산은 어려운 단점이 있다.
반면에 산화물(Oxide)계 고체 전해질은 안정성은 우수하지만 낮은 이온 전도도와 고온 열처리 공정 시간이 길다는 문제가 있었다.
연구진은 향후 고체 전해질 기반 리튬이온 전지의 대량생산 기술 개발에 주력할 계획이다. 상용화는 5년 후로 보고 있다.
연구는 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 ‘중대형 전고체 리튬이차전지용 유무기 하이브리드 고체전해질 개발’ 과제 일환으로 수행됐다.
관련 기술은 CIS, 엔켐, 정관디스플레이에 각각 1건씩 3건이 이전됐다.
신동옥 선임연구원은 “우수한 안정성을 가지면서도 이온 전도도를 크게 높일 수 있는 소재 실마리를 찾은 것”이라며 “액체 전해질은 전지내 빈공간이 많지만 고체는 전지를 꽉 채울 수 있어 에너지 밀도도 크게 향상될 것”이라고 말했다.
대전=박희범기자 hbpark@etnews.com
