KIST 김형철 박사팀, 전고체전지용 신소재 개발…“슈퍼 이온전도성 소재 상용화 높였다”

최태우 기자 / 기사승인 : 2020-03-26 14:20:30
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▲ (왼쪽부터) KIST 김형철 책임연구원(교신저자), KIST 정으뜸 연구원(제1저자) [사진=KIST]
[IT비즈뉴스 최태우 기자] 국내 연구진이 전고체전지(All-Solid-State Battery)용 고체전해질 신소재 성능과 양산성을 높일 수 있는 기술을 개발했다.

26일 한국과학기술연구원(KIST)에 따르면, 에너지소재연구단 김형철 박사팀이 기존 배터리에 사용되는 액체전해질과 동등한 수준의 이온전도도를 가지는 황화물계 슈퍼 이온전도성 소재를 개발했다.

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

현재 전기차와 에너지저장장치(ESS)용 배터리는 액체전해질 기반의 리튬이온전지를 주로 사용한다.

허나 전지의 안전성 문제가 수차례 부각되면서 가연성 액체전해질을 사용한 기존 배터리의 구조를 개선하기 위한 기술 개발이 진행 중이다. 최근에는 배터리 구성 요소 모두를 고체 물질로 대체한 전고체전지 기술이 주목을 받고 있다.

리튬이온이 자유롭게 이동할 수 있는 액체전해질과 달리 고체전해질은 리튬이온의 이동이 고체 격자 내에 구속돼 있어 이온전도도는 액체전해질 대비 1/10에서 1/100 수준으로, 전고체전지 기술 개발에서 중요한 핵심기술 중 하나로 기술적·경제적 가치가 크다.

KIST 김형철 박사팀은 아지로다이트(argyrodite)라고 불리는 황화물 결정구조를 활용해 슈퍼 이온전도성이 구현되는 고체전해질을 개발했다. 그간 이 결정 구조는 높은 리튬 농도와 구조적 안정성으로 활용 기대감이 높았으나 리튬이온이 결정 내 팔면체 케이지(cage)에 갇혀 있는 구조적 특이성으로 이온전도도가 4mS/cm 이하에 머물렀다.

KIST 연구진은 특정 원자 위치에 할로겐 원소인 염소(Cl)를 선택적으로 치환하는 기술을 확보해 팔면체 케이지를 넘나드는 리튬이온 경로를 발현시키는 데 성공했다. 연구진이 개발한 새로운 소재는 상온에서 기존 액체전해질과 동등한 수준인 10.2mS/cm의 이온전도도를 확보한 상태로, 특히 다양한 배터리 운전 조건에서 전기화학적 안정성도 유지했음을 확인했다.

해당 기술이 적용되면 슈퍼 이온전도성 소재의 양산성도 좋아질 것으로 보인다. 기존 공정은 수 일 이상의 합성공정이 필요한 데 비해 해당 연구에서는 나노결정핵을 실시간으로 형성하는 고에너지 공정과 적외선 급속 열처리 기술을 조합하는 간단한 합성법이다.

KIST 김형철 박사는 “전고체전지는 일본을 비롯한 외국 연구진이 선두에서 주도하고 있는 상황이다. 우리나라의 원천 기술로 양산성 있는 고성능 배터리 소재 기술을 개발한 것에 의의가 있다”고 설명했다.

해당 연구는 과학기술정보통신부이 지원한 KIST 주요사업과 기후변화대응기술개발사업, 산업통상자원부와 방위사업청이 지원한 민군겸용기술개발사업 등으로 수행됐으며 연구결과는 나노기술 분야 저명 국제 학술지 ‘Nano Letters’ (IF: 12.279, JCR 분야 상위 5.743%) 최신 호에 게재됐다.

 

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