비싼 금속 없이 구조설계만으로 전고체 배터리 성능 높여

[이데일리 강민구 기자] 한국과학기술원(KAIST) 연구진이 비싼 금속을 추가하지 않고도 구조 설계만으로 전고체 배터리 성능을 높였다.

KAIST는 서동화 신소재공학과 교수 연구팀이 정성균 서울대 교수, 정윤석 연세대 교수, 남경완 동국대 교수 연구팀과 저비용 원료를 사용하면서도 폭발과 화재 위험이 낮고 성능이 우수한 전고체 배터리 핵심 소재 설계 방법을 개발했다고 7일 밝혔다.

연구진 사진.(아래에서 왼쪽부터)서동화 KAIST 교수, 김재승 KAIST 연구원.(위에서 왼쪽부터)남경완 동국대 교수, 정성균 서울대 교수, 정윤석 연세대 교수.(사진=KAIST)

일반 배터리는 액체 전해질 안에서 리튬 이온이 이동하는 반면, 전고체 배터리는 액체 대신 고체 전해질을 사용한다. 전고체 배터리는 상대적으로 안전하지만, 고체 안에서 리튬 이온이 빠르게 이동하도록 만들기 위해서는 비싼 금속을 쓰거나 복잡한 제조 공정이 필요하다.

연구팀은 전고체 전해질 내부에 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있는 통로를 만들기 위해 산소와 황과 같은 ‘이가 음이온’에 주목했다. 이가 음이온은 전해질 내부 구조의 기본 틀에 들어가 결정 구조를 변화시킨다.

연구팀은 저렴한 지르코늄 기반 할라이드 전고체 전해질에 이가 음이온을 도입해 내부 구조를 조절하는 기술을 개발했다. ‘프레임워크 조절 메커니즘’이라는 설계 원리를 적용해 전해질 내부에서 리튬 이온이 이동하는 통로를 넓히고 이동 과정에서 마주치는 장벽을 낮췄다. 이에 따라 리튬 이온 주변의 결합 환경과 결정 구조를 조절해 이온이 더 빠르고 쉽게 이동할 수 있게 됐다.

초고해상도 X-선 산란 분석 등 정밀 분석 기법으로 원자 수준에서의 변화를 분석한 결과, 산소나 황을 도입한 전해질에서 리튬 이온의 이동 성능이 기존 지르코늄 기반 전해질보다 2~4배 이상 향상된 것으로 나타났다.

서동화 교수는 “값싼 원료로도 전고체 배터리의 비용과 성능 문제를 동시에 개선할 수 있는 설계 원리를 제시했다”며 “산업적 활용 가능성이 크다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난해 11월 27일자로 게재됐다.