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  • 기사등록 2020-03-26 12:00:03
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▲ 한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구단 김형철 박사팀이 기존 배터리에 사용되는 액체전해질과 동등한 수준의 이온전도도를 가지는 황화물계 슈퍼 이온전도성 소재를 개발했다. 연구팀이 개발한 슈퍼이온전도성 고체전해질 소재의 쾌속 합성 공정 개념도와 전고체전지 적용 사례를 그린 일러스트



[기계신문] 한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구단 김형철 박사팀이 기존 배터리에 사용되는 액체전해질과 동등한 수준의 이온전도도를 가지는 황화물계 슈퍼 이온전도성 소재를 개발했다.


또, 함께 발표한 새로운 합성 기술은 기존 대비 공정시간을 1/3 이상 단축시킬 수 있어 슈퍼 이온전도성 소재의 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것으로 보인다.


리튬이온전지는 전기 에너지를 화학 에너지로 형태로 저장할 수 있는 에너지 변환 장치다. 모바일 기기에서 전기자동차 혹은 에너지저장장치(ESS)로 배터리의 응용 분야가 확대되면서 고용량·고출력·고에너지밀도와 같은 성능 지표뿐 아니라 다양한 운전 환경을 보장하는 안전성 지표도 주요하게 고려되고 있다.


액체전해질을 사용하는 기존 리튬이온전지는 휴대폰 및 전기자동차에서 최근 빈번한 화재 보고가 있으며, 관련된 안전성 이슈로 정부에서는 국내 ESS 시스템의 가동 중지를 권고한 사례도 있다.


그러나 액체전해질은 태생적으로 가연성 유기용매를 기반으로 하고 있기에, 이를 해결하기 위해 고체전해질이 적용된 새로운 개념의 이차전지, 즉 전고체전지의 필요성이 부각되었다.


하지만 자유로운 리튬이온 이동이 보장되는 액체전해질과 달리 리튬이온 이동이 고체 격자에 구속되어 있는 고체전해질은 액체전해질 대비 1/10에서 1/100 수준의 낮은 이온전도도를 보유하고 있었고, 이는 전고체전지 기술 개발의 가장 큰 걸림돌 중 하나다.


이와 관련하여 전고체전지에 적용하여 액체전해질을 대체하는 동등 수준의 이온전도도를 가지는 고체전해질 소재의 확보와 관련한 양산 기술 개발이 필요한 상황이었다.



▲ 나노결정핵 쾌속합성법에 기반한 전고체전지용 고체전해질 기술 요약. 최적화된 고에너지밀링 기술로 원하는 나노결정핵을 실시간 형성한 다음, 급속 결정 성장으로 슈퍼 이온전도체를 단시간에 형성하여 전고체전지의 고체전해질로 적용함



김형철 박사 연구팀은 아지로다이트(argyrodite)로 불리는 황화물 결정 구조를 활용하여 슈퍼 이온전도성이 구현되는 고체전해질을 개발했다. 그동안 이 결정 구조는 높은 리튬 농도와 구조적 안정성으로 활용 기대감이 컸지만, 리튬이온이 결정 내 팔면체 케이지(cage)에 갇혀있는 구조적 특이성으로 이온전도도가 4mS/cm 이하에 머물렀다.


연구팀은 특정 원자 위치에 할로겐 원소인 염소(Cl)를 선택적으로 치환하는 기술을 확보하여 팔면체 케이지를 넘나드는 리튬이온 경로를 새롭게 발현시켰다. 연구팀이 개발한 새로운 소재는 상온에서 기존 액체전해질과 동등한 수준인 10.2mS/cm의 이온전도도를 확보하고 있으며, 다양한 배터리 운전 조건에서 전기화학적 안정성도 여전히 유지하고 있다.


아울러 연구팀이 보고한 새로운 합성법은 슈퍼 이온전도성 소재의 양산성 극대화가 가능해 더욱 주목받았다. 기존 공정은 수일 이상의 합성 공정이 필요한 데 비해, 이번 연구에서는 나노결정핵을 실시간으로 형성하는 고에너지 공정과 적외선 급속 열처리 기술을 조합한 간단한 합성법을 제안하여 공정시간을 10시간 이내로 단축했다.



▲ 개발된 신소재의 이온전도성 관련 연구 결과. 개발된 슈퍼 이온전도성 고체전해질의 이온전도도 및 이온전도기구 분석 결과로 높은 할로겐 영역에서 케이지 사이 경로 활성화가 확인됨



김형철 박사는 “전고체전지는 일본을 비롯한 외국 연구진이 선두에서 주도하고 있는 상황인데, 국내 원천 기술로 양산성 있는 고성능 배터리 소재 기술을 개발했다는 데 큰 의의가 있다”며 “쾌속 공정을 통한 슈퍼 이온전도성 소재의 합성은 대량 생산과 상용화 가능성이 매우 크고, 향후 고체전해질로써 전기자동차와 ESS에 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.


액체전해질과 동등한 이온전도도를 가지는 아지로다이트계 슈퍼 이온전도성 고체전해질을 새로운 할로겐 원소의 선택 치환 기술을 통해 개발하여 전기자동차용 차세대 배터리 분야에 적용될 수 있다. 또한 슈퍼 이온전도성 신소재를 합성하는 새로운 쾌속 양산 기법을 제시하여 전고체전지용 혁신 고체전해질의 상용화 가능성이 커질 것으로 기대된다.


이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원한 KIST 주요사업과 기후변화대응기술개발사업, 산업통상자원부와 방위사업청이 지원한 민군겸용기술개발사업 등으로 수행되었으며, 연구 결과는 나노기술 분야 국제학술지 ‘Nano Letters’ 최신호에 게재되었다.


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이은아 기자 lena@mtnews.net

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