연세대학교는 정윤석 화공생명공학과 교수팀이 남경완 동국대 교수, 서동화 KAIST 교수 공동연구팀과 함께 5V 이상에서 안정적으로 작동 가능한 전고체전지 설계 기술을 개발하고, 그 성능을 다양한 양극 시스템과 실제 배터리 셀 구조에서 입증했다고 14일 밝혔다.
전기 에너지는 전하량과 전압의 곱으로 결정된다. 고용량 전극이나 고전압 양극을 적용하면 에너지 밀도를 높일 수 있으며, 이 두 가지를 병행하면 그 효과는 더 커진다. 문제는 '5V' 이상의 전압에서 전해질이 불안정해 쉽게 분해되기 때문에, 대부분의 전지는 4V 근처에 머물 수밖에 없었다. 이 한계는 전고체전지에서도 동일하게 적용돼 왔다.
정윤석 교수팀은 이번에 새롭게 설계한 불화물계 고체전해질인 LiCl-4Li2TiF6(상온 기준 1.7 × 10-5 S/cm의 높은 이온전도도)를 도입해 이러한 한계를 극복했다. 해당 고체전해질은 5V 이상의 높은 산화 안정성과 함께 이온전도도까지 동시에 확보했다.
연구팀은 이번에 개발한 불화물계 고체전해질의 활용 가능성을 다양한 전지 시스템에 적용해 폭넓게 검증했다. 연구팀은 삼원계(NCM) 및 리튬과잉 망간계(Li- and Mn-rich) 층상계 양극재에도 해당 보호층 기술을 성공적으로 적용함으로써 불화물계 보호층 기술의 실용성과 범용성, 그리고 산업 적용 가능성을 모두 확인했다.
앞서 정 교수팀은 2021년과 2023년에 발표한 논문과 특허에서 기존의 값비싼 희토류 대신 저비용이면서도 풍부한 자원인 Zr(지르코늄) 기반 염화물 및 그 확장형 나노복합체 고체전해질을 제시해 전고체전지 양산 가능성을 앞당길 원천기술로 큰 주목을 받기도 했다.
이번 LiCl-4Li2TiF6 불화물 고체전해질 연구는 이전에 개발한 저가 염화물에 불화물을 결합해 구현한 것으로, 기존 성과를 한 단계 도약시킨 결과물이다. 이로써 연구팀이 축적해온 특허와 연구 성과는 향후 전고체전지 산업에서 지식재산(IP) 기반 독보적 경쟁력을 확보하고, 기업의 기술 사업화로 이어질 토대를 마련했다는 평가다.
정 교수는 “이번 연구는 단순한 신소재의 개발을 넘어 고전압 전고체전지 구현을 위한 설계 패러다임을 제시했다”며 “향후 전고체전지의 상용화를 가속할 수 있는 핵심 기반 기술이자, 최근 제기되고 있는 황화물계 고체전해질 안전성 우려 속에서 돌파구로서도 큰 의의를 가진다”라고 밝혔다.
이번 연구는 삼성미래기술육성사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
권미현 기자 mhkwon@etnews.com
