전남대학교 신소재공학부 박찬진 교수팀은 다공성 구조의 새로운 복합 고체전해질을 개발해 전고체 배터리의 성능을 크게 높여 대량 생산의 길을 열었다.
전기차 배터리의 전해질을 기존 액체에서 고체로 대체해, 배터리 용량은 높이고 화재 위험성은 낮추는 전고체 배터리 기술 경쟁이 치열한 상황에서 이룬 성과다.
박찬진 교수팀에 따르면 고체전해질 소재는 황화물계, 산화물계, 폴리머 3가지가 있다.
그 중, 가장 유망한 황화물계 고체전해질의 주원료(Li2S) 가격은 리튬이온배터리 전해액의 200배 이상으로 비싼 상황이다.
박찬진 교수팀은 이들의 장점을 조합해 여러 고체전해질을 혼합해 사용하며, 각각의 단점을 보완하고 효율을 높이는 방법으로 접근했다.
먼저 산화물 고체전해질 소재를 사용해 특별한 구조의 지지체를 개발했다.
이 지지체는 마치 가시덤불처럼 연속적이고 빈 공간이 있는 다공성 구조로 리튬 이온의 효율적인 이동을 돕는다.
이 지지체를 리튬금속 음극과 고니켈 양극에 결합한 뒤, 액상 모노머 용액을 주입하고 이를 고분자로 중합함으로써, 새로운 복합 고체전해질을 만들어 냈다.
이 과정은 리튬 이온이 이동할 수 있는 여러 경로를 만들어 주어 고체전해질의 이온 전도성을 크게 향상했다. 또한 전극과 고체전해질 사이의 계면 저항을 줄여 배터리 효율을 높였다.
이렇게 제조된 전고체 배터리는 별도의 압력을 가하지 않고도 상온에서 우수한 성능을 보이며, 기존 리튬이온 배터리와 견줄 수 있는 수준을 달성했다.
이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터, 중견연구사업 지원으로 수행됐으며, 연구 내용은 재료분야 국제학술지 ‘나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)’에 지난 1월 12일 게재됐다.
박찬진 교수는 “이번 연구 결과는 출력과 계면저항 개선이라는 전고체 배터리 기술의 주요 진전을 나타내며, 특히 전고체 배터리 제조 공정을 단순화하는 성과를 거두었다”고 밝혔다.
※ 용어 설명
고니켈 양극: 국내 배터리 3사에서 주로 사용하는 Ni함량이 높은 3원계 양극소재.
모노머: 작은 분자로, 같은 종류의 모노머들이 화학적 결합을 통해 더 큰 분자인 폴리머(고분자)를 형성한다. 본 연구에서 제조시 사용된 모노머는 액체상태, 중합이 완료된 고분자(폴리머)는 고체상태를 갖는다.
중합: 모노머를 이어 붙여 폴리머가 되는 반응.
배진희 기자 news@presszon.kr
