성능·안전 동시 확보, 전고체 배터리 핵심 소재 개발

한국생산기술연구원(생기연)은 저탄소에너지그룹 김태효 수석연구원 연구팀이 전고체 배터리용 황화물계 고체 전해질의 성능과 안전성을 모두 높일 소재를 개발했다고 15일 밝혔다.

고체 전해질은 전고체 배터리 안에서 양극과 음극 사이로 리튬이온이 이동하는 통로 역할을 한다. 황화물계는 이온전도도가 높아 고체 전해질의 유력한 후보 소재로 꼽힌다.

김태효 수석연구원(오른쪽)과 배진영 자체인턴(왼쪽)이 전해질을 적용한 전고체 전지 셀을 들고 있다. 한국생산기술연구원

연구팀은 황화물계 고체 전해질 소재에 3가지 원소를 조합, 리튬이온 이동성을 높인 동시에 공기 중 수분이 노출될 때 발생하는 유독성 황화수소(H₂S)를 줄이는 데 성공했다.

황화물계 고체 전해질 중에서 '육리튬 인 오황화 아이오다이드'에 주목해 육리튬 인 오황화 아이오다이드에 서로 다른 역할을 하는 원소 염소(Cl)·안티몬(Sb)·산소를 혼합한 결과다.

육리튬 인 오황화 아이오다이드는 제조 원가가 낮고, 리튬 금속과 맞닿을 때 아이오딘화 리튬(LiI) 나노 보호층을 형성해 셀 안정성을 높이는 장점이 있다. 반면 황화물계 고체전해질 중에서는 상대적으로 이온전도도가 낮고, 습기에 취약해 공기 중 수분에 노출될 경우 유독성 황화수소가 발생하는 단점도 가졌다.

연구팀은 3가지 원서를 혼합하는 형태로 육리튬 인 오황화 아이오다이드의 단점을 해소했다. 염소는 소재 내부의 원자 배열을 바꿔 리튬이온의 이동을 원활하게 하고, 안티몬과 산소는 수분에 강한 결합 구조를 만들어 소재 분해와 황화수소 발생을 줄이는 역할을 한다.

이를 토대로 연구팀은 3가지 원소의 비율을 단계적으로 조절, 다양한 조건을 비교·검증해 이온전도도와 구조 안정성의 균형을 최적화할 원소 비율을 도출했다.

개발된 소재로 실험한 결과 이온전도도는 1.158㎳/㎝로, 기존보다 77배가량 높아졌다. 또 상대습도 30% 환경에서 황화수소 발생량은 40%가량이 줄어 수분 저항성이 함께 개선된 것으로 확인됐다. 상대습도 50% 환경에 24시간 노출했을 때도 연구팀이 개발한 소재는 고체 상태를 유지했다.

배터리 내부 합선 직전까지 버티는 한계 전류 값이 기존보다 86%가량 높아진 것도 눈여겨볼 지점이다. 개발한 소재는 리튬 금속과 맞닿은 상태에서도 2000시간 이상 안정적으로 작동했다.

특히 연구팀은 소재를 설계하는 것을 넘어 압력 셀을 조립해 사이클 성능까지 확인, 소재 개발부터 전지 실증까지 전체 과정에서 기술 완성도를 높였다.

개발한 소재를 고체 전해질에 실제 적용했을 때 전고체 전지의 초기 방전 용량은 158.4mAh/g으로, 기존 Li?PS?I 기반의 전지(134.5mAh/g)보다 성능이 18%가량 향상된 것으로 나타났다. 충·방전을 100회 반복하는 내구성 시험에서도 안정성이 유지됐다.

김 수석연구원은 "이번 연구는 황화물계 고체 전해질에서 성능과 안정성을 함께 높일 수 있는 소재를 개발할 가능성을 확인했다는 점에서 의미를 갖는다"며 "국내 소재·부품·장비 기업으로 기술을 이전해 전고체 배터리 상용화를 앞당기는 데 기여하도록 하겠다"고 밝혔다.

한편 이번 연구 결과는 화학공학 분야 국제 학술지 '케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr