국내 연구진이 전기자동차의 차세대 배터리이자 ‘꿈의 배터리’로 불리는 전고체 전지의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 전해질 소재를 개발했다. 서울대는 3일 이차전지 혁신연구소 소속 강기석 교수 연구팀(박사과정 유승주, 노주현 연구원)이 전고체 전지용 신규 염화물 고체 전해질을 개발했다고 밝혔다.
전고체 전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 전해질을 액체에서 전부 고체로 대체한 배터리다. 불연성인 고체를 사용해 화재나 폭발 위험이 없고, 온도변화나 외부 충격에도 강해 ‘꿈의 배터리’로 불린다. 특히 최근 세계적으로 전기자동차 보급이 늘면서 전고체 전지 연구 또한 활발해지고 있다. 기존 전기차 배터리의 경우 온도가 높거나 압력이 가해지면 화재 또는 폭발 위험이 있기 때문에 이러한 위험성을 줄인 전고체 배터리가 대안으로 여겨지고 있기 때문이다.
연구팀에 따르면 전고체 전지 상용화를 위해서는 이온전도도와 화학적·전기화학적 안정성, 기계적 변형성이 높은 고체 전해질 소재 개발이 필수지만, 지금까지 개발된 황화물 및 산화물계 고체 전해질은 이런 조건을 만족시키지 못했다. 그 대안으로 염화물 고체 전해질이 적합한 후보 소재로 주목받았으나 대부분 비싼 희토류 금속을 함유하고 있어 가격 측면에서 낙제점을 받았다.
이 중 삼방정계 구조를 가진 염화물 고체 전해질은 상대적으로 저렴한 원소를 활용할 수 있어 경제성을 갖춘 후보 소재로 최근 연구됐다. 하지만 이 역시 이온전도도가 낮고, 합성 방법에 따라 소재 구조의 편차와 이온전도도 차이가 크다는 것이 단점으로 꼽혔다. 연구팀은 이러한 문제가 삼방정계 염화물 고체 전해질 구조의 특이성에서 기인한다는 점과, 구조 내에서 금속 이온의 조성·배치가 리튬 이온의 전도성에 영향을 미친다는 사실을 세계 최초로 규명했다.
그 결과 상충하는 요소들을 적절히 조절해 새로운 지르코늄계 고 이온전도성 염화물 고체 전해질을 개발하는 데 성공했다. 이 신규 소재는 상용화될 경우 전고체 배터리의 안정성과 수명을 두루 확보할 수 있을 것으로 전망된다. 아울러 새로운 전해질 설계 전략을 제시했다는 점에서 향후 다양한 염화계 고체 전해질 개발의 물꼬를 텄다는 평가가 나온다.
해당 논문은 이날 과학저널 ‘사이언스’에 게재됐다.
강기석 교수는 “이번 연구는 삼방정계 염화물 고체 전해질의 구조적 특성인 금속 이온의 조성 및 배치가 리튬 이온의 전도성에 미치는 영향을 세계 최초로 규명한 것”이라며 “앞으로 경제성과 안정성을 두루 갖춘 다양한 고체 전해질 개발을 촉진하고 전고체 전지의 상용화를 앞당길 것으로 기대한다”고 밝혔다.