포스텍, 이온 전도성과 안정성이 높은 전고체 배터리 개발

전기차에 사용되는 리튬 이온 배터리는 액체 상태인 전해질 누출 위험이 있다. 외부의 충격이나 열에 의한 화학 반응으로 인해 최고 1000도까지 달아올라 화재 사고로도 이어질 수 있다. 전고체(All-Solid-State) 배터리는 고체 전해질을 사용해 안전성과 에너지 밀도를 높일 수 있는 장점이 있으나 이온 전도도가 낮아 출력이 낮다는 한계가 있다.

포스텍(POSTECH) 화학과 박문정 교수와 김보람 박사 연구팀이 크기가 서로 다른 두 종류의 나노 입자가 격자 구조화된 이종 나노입자 전해질을 합성, 이온 전도성과 기계적 안정성을 동시에 향상시키는 기술을 개발했다. 또 이를 핵심 구성품으로 하는 전고체 리튬-황 배터리를 개발했다.

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포스텍 연구팀이 이온 전도성과 안정성이 높은 전고체 배터리 기술을 개발했다. 왼쪽부터 박문정 교수, 김보람 박사.

리튬 배터리에 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하면 폭발의 위험은 낮지만 낮은 이온 전도성과 충전 속도가 문제다. 연구팀은 안과 밖의 분자 구성이 다른 두 코어(core)-쉘(shell) 나노 입자를 조립해 초격자 고체 전해질을 만들었다. 촘촘한 격자 구조로 리튬 이온이 지나가는 통로의 폭을 좁혀 이온이 흩어지지 않고, 잘 이동할 수 있도록 만든 것이다. 아울러 연구팀은 이 초격자 구조를 조절해 리튬 이온 수송에 최적화된 고체 전해질을 개발하는데 성공했다.

실험 결과, 연구팀이 개발한 고체 전해질 기반 전고체 배터리는 섭씨 25도에서 뛰어난 이온 전도도(10-4 S/cm)와 리튬 전이율(0.94)을 기록했다. 또 넓은 온도 범위(25~150°C)에서도 높은 탄성계수(0.12 GPa)를 가지며, 최대 6V(볼트)의 전압에서도 작동하는 등 우수한 물리·화학적 안정성을 보였다.

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전고체 배터리의 기계적·전기화학적 안정성 실험 결과 이미지

무엇보다 200회 이상 사용된 후에도 높은 방전 용량(600mAh/g)을 유지하며 높은 내구성과 효율을 보였다. 차세대 전지로 각광받고 있는 리튬-황 배터리의 액체 전해질을 고체 전해질로 교체해 전고체 배터리의 새로운 패러다임을 제시한 것으로 평가받는다.

박문정 교수는 “액체 첨가제를 사용하지 않고 리튬-황 배터리에 고체 전해질을 성공적으로 적용한 것은 이번이 처음이다. 앞으로 리튬 배터리 연구에 큰 도움이 되길 바란다”고 말했다.

한국연구재단과 과학기술정보통신부의 중견연구자사업과 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 재료공학 분야 국제 학술지인 '머티리얼즈 호라이즌스(Materials Horizons)' 표지 논문(front cover)으로 게재될 예정이다.


포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com


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