전기차, 모바일기기 등의 주 전원으로 사용되는 리튬이온전지는 탁월한 에너지효율에도 불구, 화제와 폭발에 취약한 태생적 한계를 안고 있다.
심심치않게 발생하는 전기차 화제 원인도 대부분은 대량 탑재된 리튬이온 전지가 주요인이다. 리튬이온계 배터리의 불안전성을 해소할 차세대 꿈의 배터리로 전고체 배터리가 가장 각광을 받고 있다.
리튬이온전지는 화재 및 폭발에 취약한 액체 전해질을 활용하는 문제점이 있어 불에 타지 않는 고체 전해질로 이를 대체하는 연구가 주목받고 있는 것이다.
전고체 배터리는 말 그대로 배터리 양극과 음극 사이의 전해질이 고체인 2차전지다. 에너지 밀도가 높고 대용량 구현이 가능하다. 전해질이 불연성 고체이기 때문에 발화 가능성이 낮다. 충전시간도 짧다.
리튬이온 배터리 이상의 성능을 내면서도 치명적인 단점을 보완한 차세대 배터리인 셈이다. 다만 고체 전해질은 이온 전도성이 뛰어난 황화물계 고체 전해질 연구가 주류를 형성하고 있지만, 고전압에서 불안정성을 보이는 치명적인 문제가 있다.
최근 국내외적으로 황화물계 대신에 염화물계 고체 전해질 등에 대한 연구가 본격화한 것도 바로 이 때문이다.
이런 가운데 전고체 배터리 상용화를 위해 반드시 필요한 특성인 고전압에서의 안정성이 탁월할 염화물계 고체전해질이 국내 기술진에 의해 개발돼 주목된다.
한국과학기술연구원(KIST)은 자체 에너지저장연구센터 류승호 책임연구원과 계산과학센터 한상수 책임연구원 공동연구팀이 미국 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL) 브랜던 우드 박사와 힘을 합쳐 슈퍼컴퓨터를 활용해 불소를 치환한 고전압 안정형 염화물계 고체 전해질을 개발했다고 25일 밝혔다.
KIST 연구팀은 염화물계 고체 전해질(Li3MCl6)이 고전압에서도 잘 견딜 수 있도록 염소 중 하나를 화학적 결합력이 강한 불소로 치환, 고체 전해질의 최적 조성과 설계 원리를 제시했다. 이를 토대로 미국 LLNL이 슈퍼컴퓨터를 이용해 분석해 결과를 계산하고, 그 결과를 다시 KIST에서 실험을 통해 검증을 마쳤다.
연구팀이 만든 고체 전해질을 전고체 배터리에 적용한 결과 상용 리튬이온 전지와 비슷한 고전압에서도 안정적인 모습을 보였다. 기존 염화물계 고체 전해질은 안정적 범위가 4V 수준에 머물렀는데 6V 이상까지 견딜 수 있게 된 것이다.
KIST와 LLNL은 2019년부터 이차전지 공동연구를 진행 중이며, 이번 연구 결과를 바탕으로 전고체 전지 개발에 필요한 소재 합성 공정과 전극 및 전지 제조 공정 최적화 연구를 수행하기로 했다.
류 책임연구원은 "화재 위험성이 없는 고에너지 밀도 차세대 리튬 전고체 전지의 상용화가 앞당겨질 것"이라고 말했다. 이번 연구 결과는 지난 12일 '미국 화학회(ACS) 에너지 레터스'에 게재됐다.
댓글
0