대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)은 이종원 에너지공학과 교수팀이 문장혁 중앙대 교수팀과 함께 대기 안정성이 향상된 산화물 고체전해질 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.
리튬이온전지는 전자제품과 전기차에 널리 사용되지만, 가연성 유기계 액체 전해질을 기반으로 제작돼 발화에 취약하다. 안전성 문제가 꾸준히 제기되고 있다.
반면에 산화물계 고체전해질은 높은 열적 안정성을 가지고 물리적으로 리튬 수지상의 성장을 막을 수 있다는 장점이 있다. 그 중 'Li7La₃Zr₂O₁₂(LLZO) 전해질'은 뛰어난 리튬 이온 전도도를 가지고 있어 차세대 전해질로 주목받고 있다.
이런 장점에도 LLZO 전해질은 대기 노출 시 수분 및 이산화탄소와의 반응에 의해 표면에 탄산리튬이 형성되는 문제가 있다. 탄산리튬은 표면에서 형성된 후 결정립계를 따라 성장함으로써 고체전해질 내부까지 침투, 리튬 이온 이동을 방해해 LLZO 고체전해질의 리튬 이온 전도도를 낮춘다.
연구팀은 갈륨 및 탄탈럼의 이종 원소 도핑, 즉 순수 LLZO 전해질에 갈륨 및 탄탈럼을 첨가함으로써 LLZO 전해질의 대기 안정성을 향상했다. 특히, 갈륨의 도입을 통해 형성되는 제3의 물질인 'LiGaO₂'는 수분·이산화탄소 표면 흡착을 억제하며, 열처리 시 입자의 성장을 촉진해 결정립계를 통한 탄산리튬 성장을 막아 LLZO 전해질의 리튬 이온 전도 특성이 유지됨을 확인했다.
이종원 교수는 “이번 연구는 대기에서 안정하고 높은 리튬 이온 전도도를 갖는 고체전해질이 도입된 고성능·고안전성 전고체 전지의 개발에 도움이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
DGIST 정우영 석·박사통합과정생이 제1 저자로 참여한 이번 연구성과는 최근 에너지 분야 국제 전문학술지 '에너지 스토리지 머티리얼스'에 온라인 게재되었다. 연구는 한국연구재단의 '나노 및 소재 기술 개발사업' 및 '선도연구센터사업'의 지원을 받아 수행됐다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
