'꿈의 배터리' 전고체 배터리 상용화 성큼 … 단국대 최용석 교수팀, 이온전도도 높이는 기술 개발

단국대학교는 신소재공학과 최용석 교수가 이끄는 공동 연구팀이 차세대 꿈의 배터리라 불리는 '전고체 배터리'의 한계로 지적돼 온 이온전도도를 높이는 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

최 교수가 제1저자로 참여한 이번 연구는 고려대 이재철 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 정경윤 박사와 함께 진행했다.

이차전지는 전해질이 배터리의 양극과 음극으로 이온을 이동시켜 전력을 생산한다. 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 배터리와 고체를 사용하는 전고체 배터리 등으로 구분한다.

리튬이온 배터리는 에너지 밀도가 높고 수명이 길어 전기자동차, 스마트 기기 등에 널리 사용된다. 다만 외부 충격이나 변형으로 분리막이 손상되면 화재와 폭발의 위험이 있다.

전고체 배터리는 충·방전에 필요한 전해질로 고체를 사용하며 분리막이 없어 화재·폭발의 위험성이 낮고 에너지 밀도가 높아 '꿈의 배터리'로 불린다. 그러나 리튬 이온을 전달하는 이온전도 속도가 느려 상용화에 걸림돌이 돼왔다. 리튬 이온의 이동속도가 빠를수록 배터리 출력이 커지고 고속으로 충전된다.

공동 연구팀은 두 종류의 황화물계 고체 전해질인 황화물(황화 리튬, 오황화인, 게르마늄 이황화물)과 염화물(염화게르마늄, 염화은)의 분말을 고열에서 합성해 이온전도도가 높은 고체 전해질을 개발했다. 개발된 고체 전해질은 기존 재료보다 50~80%까지 향상된 이온전도도(센티미터(㎝)당 2.39, 12.4밀리지멘스(mS))를 보여 기존의 액체 전해질과 비슷한 이온전도도(~10mS/㎝)를 보였다.

또한 연구팀은 머신러닝 기반의 원자 모델링 기법을 활용해 원자구조를 다차원적인 나노 구조 단위로 계산했다. 이를 통해 새로 개발한 전해질의 이온전도도가 향상된 원인과 고체 전해질의 이온전도도를 높이는 효과적인 이종 원소 선정 방법도 제시했다.

최 교수는 "이번 연구는 전고체 배터리 개발에 걸림돌이던 이온전도도를 개선한 것으로 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다"며 "앞으로 고체 전해질의 안정성, 기계적 물성 등 다양한 특성을 연구해 전고체 배터리에 최적화시키는 연구를 수행할 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과를 담은 두 편의 논문(AgCl 도핑 시 Li7P3S11고체전해질의 이온전도도 향상 거동 분석, Ge/Cl 이중 도핑 시 Li 10 GeP 2 S 12 고체전해질의 Li 확산 기구)은 최근 에너지·연료 분야의 저명한 국제학술지 '카본 에너지'에 연이어 게재됐다.

이번 연구는 한국연구재단의 지역혁신 선도연구센터(RLRC) 사업인 '지속 가능한 수소 생산-변환 에너지 생태계(SEHPc)'의 지원을 받아 수행됐다.