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국내 연구팀이 전고체 배터리의 전해질 성능을 높이는 핵심 메커니즘을 규명했다. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구팀이 전고체 배터리의 전해질 성능을 높이는 핵심 메커니즘을 규명했다. 전고체 배터리는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 ‘전해질’을 기존 가연성의 액체에서 고체로 대체한 전지다. 폭발의 위험에서 자유롭고 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 차세대 배터리로 각광받고 있다. 

한국연구재단은 김동완 고려대 교수 연구팀이 차세대 전고체 배터리의 핵심 소재인 리튬 아지로다이트(Li Argyrodite)계 고체 전해질의 성능을 최대화할 수 있는 새로운 공정을 개발하고 성능 향상 메커니즘을 규명했다고 16일 밝혔다.

높은 이온 전도도를 가진 황화물계 리튬이온 전도체 리튬 아지로다이트는 전고체 배터리 개발의 핵심 소재로 꼽히지만 다량의 에너지와 시간을 필요로 하는 기존의 제조공정은 한계로 지목되고 있다. 

이 같은 한계를 극복하기 위해 연구자들은 습식 공정 기반의 합성법을 연구하고 있지만 긴 반응 시간, 부산물 생성, 양성자성 용매 사용으로 인한 유해 가스 발생 등 해결해야 할 과제는 산적한 상황이다. 무엇보다 습식 공정을 활용해 성능이 높은 생성물을 얻기 위한 반응 메커니즘 및 공정 변수 제어에 대한 심층적인 연구는 미흡한 실정이다. 

연구팀은 전고체전지용 황화물계 리튬이온 전도체 합성공정에 ‘단일 용매 매개 방식’ 습식 공정을 도입했다. 단일 용매 매개 방식 습식 공정이란 전구체 혼합을 위해 두 가지 이상의 용매를 사용하지 않고 하나의 용매 (Acetonitrile)만을 사용하는 습식 공정이다.

습식 공정을 도입한 결과 연구팀은 리튬 아지로다이트 고체 전해질 내 이온 전도도를 높이기 위한 양이온(Si)의 치환 농도를 기존 합성 방식(30%)의 한계를 넘어 40%까지 성공적으로 증가시켰다. 

새로운 공정을 통해 제조된 고체 전해질은 입자 크기가 감소하고 표면적 대 부피 비율이 증가했다. 이러한 변화는 치환된 원자들이 공간 전하층(Space charge layer) 내에 더 효과적으로 축적되도록 유도하는 계기가 됐는다. 결과적으로 이온 전도도 향상의 핵심 메커니즘으로 입증됐다. 
 
연구는 고체 전해질 성능 향상의 핵심 원리를 과학적으로 밝혀냈다는 점에서 학술적 가치가 매우 높다. 

김 교수는 “연구의 가장 큰 의의는 차세대 전고체 배터리 핵심 소재의 성능을 획기적으로 향상시키는 메커니즘을 규명했다는 점이다"며 “향후 더욱 안전하고 고성능의 전고체 배터리 개발을 위한 후속 연구를 적극적으로 추진해 나갈 것”이라고 강조했다.

연구결과는 3월 25일 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 메터리얼즈'에 게재됐다. 

<참고자료>
-DOI.10.1002/aenm.202500532

[이채린 기자 rini113@donga.com]

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