연구성과

신소재 강병우 교수팀, “꿈의 전지” 산화물 전고체전지, ‘리시콘(LiSICON)’구조로 해법 찾는다

2022-11-23 271

[강병우 교수팀, 전고체전지 이온 전도도 개선 방안 제시]

대기환경 보호와 에너지 절감의 효과로, 이미 올해 전세계적으로 1천만대 이상 판매될 것으로 알려진 전기차의 가장 큰 단점은 바로 배터리의 안전성이다. 이미 최근 5년간 우리나라에서 보고된 전기차 화재 건수는 69건으로 매년 증가 추이를 보이고 있다. 이 화재의 주 원인 중 하나는 리튬이온 배터리에 들어가는 액체 전해질이다. 가연성과 발화성이 높은 전해질 때문에 항상 폭발의 위험성을 안고 있는 셈이다.
그 대응책으로 등장한 것이 바로 ‘전고체전지’다. 2차 전지에 들어있는 액체 전해질과 분리막을 없애고 고체 전해질로 대체한 배터리다. 발화물질이 들어있는 전해질이 없어 폭발이나 화재의 위험성도 낮고, 무엇보다 고에너지 밀도를 구현할 수 있다는 것이 큰 장점으로 꼽힌다. 문제는 여기에 들어가는 고체전해질 물질에 아직 여러 단점이 존재한다는 것이다. 특히, 고온 열처리 과정에서 전해질과 리튬 저장 물질인 양극재와의 반응에 의해서 성능이 저하되는 단점은 산화물 전고체전지 상용화의 치명적인 단점으로 꼽혔다.

신소재공학과 강병우 교수팀은 최근 ‘리시콘(Li Super Ionic CONductor, LiSICON)’형 산화물 고체전해질의 우수성을 확인하고 이를 이용한 전고체전지를 개발, ‘저널 오브 머터리얼 스케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)’를 통해 발표했다.
리시콘형 고체전해질은 공기 중에서 안정적일 뿐 아니라, 주 구성물이 실리콘(Si)과 인(P)으로 구성되어 있어 고가의 금속을 포함한 다른 산화물 고체전해질에 비해 가격적으로 장점을 가지고 있으며 다른 산화물 전해질에 비해서 가벼워 고에너지 용량을 구현할 수 있다.

연구팀은 현재 주로 사용되는 고(高) 니켈(High-Ni) 양극재와 리시콘형 고체전해질이 고온에서 열처리를 하더라도 서로 화학 반응하여 성능이 저하되지 않고 양극재와 전해질과 연속적인 접촉을 이루어서 상온에서도 효율적으로 충전과 방전이 이루어진다는 것을 확인했다. 또한, 리시콘형 고체전해질은 다른 산화물 고체 전해질과 달리 차세대 고용량 음극재로 각광받는 리튬 금속을 안정적으로 사용할 수 있다는 것을 확인했다. 따라서, 리시콘형 산화물 전고체 전지는 고용량을 가지는 고(高) 니켈 양극재와 리튬 금속을 이용해서 고에너지 밀도를 구현할 수 있는 가능성을 보여주었다.

연구를 주도한 강병우 교수는 “이 리시콘형 고체전해질은 액체 전해질이 없이도 상온에서 안정적으로 구동할 수 있고, 지금까지 단점으로 꼽혔던 차세대 산화물 전고체전지 핵심재료로서 많은 장점을 가지고 있다”며 “다만, 리시콘형 고체전해질은 이온 전도도가 낮기 때문에 이 부분을 개선하는 연구를 계속 진행할 것”이라고 계획을 밝혔다.

한편, 이 연구는 한국연구재단의 중견연구지원사업과 기초연구실사업의 지원을 받아 수행됐다.