이번 연구결과가 게재된 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’ 표지.[KIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 전고체 전지는 양극과 음극 사이의 전해질이 고체로 된 2차전지로 에너지 밀도가 높고 기존의 리튬이온전지 대비 화재·폭발 위험성이 현저히 낮아 차세대 배터리 기술로 손꼽힌다. 최근 전고체 전지 분야 소재 연구는 액체 전해질과 비슷한 수준의 이온전도성을 확보하기 위해 소재 결정성을 극대화하는 전략에 집중하고 있다. 하지만 이러한 방식은 소재 혼합 혹은 반응 이후 500oC 이상의 고온에서 최대 수일에 걸친 결정화 공정이 필요하다. 이 때문에 공정비용이 높아지고, 기계적 탄성 감소로 인한 전지 계면 접촉 문제를 가지고 있었다.

한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구센터 김형철 박사 연구팀은 슈퍼 이온전도성과 높은 탄성변형성을 가진 고체전해질을 상온·상압 원팟(one-pot) 공정으로 합성하는 데 성공했다고 밝혔다. 이번 연구성과는 전고체 전지 소재의 생산성을 극대화하는 한편, 탄성변형력을 제고해 고질적 계면 문제를 해결할 수 있어 주목받고 있다.

연구팀은 상온·상압 조건에서 고탄성·고이온 전도성 고체전해질 소재를 합성하기 위해 황화물 아지로다이트(argyrodite) 소재의 결정학적 특징에 주목했다. 이론적으로는 아지로다이트 결정 내 4a 및 4c 자리 황화물 아지로다이트는 사면체의 구조를 갖는데 그중 4a와 4c는 황 또는 할로겐과 같은 원자형 음이온들이 점유할 수 있는 자리이다.

의 할로겐 치환율을 최대로 높인 상태에서 이온전도성을 극대화할 수 있지만, 열역학적 불안정성으로 소재가 실용적으로 합성된 사례가 없었다. 또한 일반적인 슈퍼 이온전도성 아지로다이트 결정질 소재는 500oC 이상의 고온 열처리를 거쳐야하므로 할로겐 치환율을 극대화할 수 없었으며, 높아진 결정성만큼 탄성변형성은 낮아져 전지 성능의 빠른 열화를 가져왔다. 반대로 고온 열처리를 하지 않으면 유리질처럼 낮은 탄성계수 확보는 가능하지만, 이온전도도는 3 mS/cm 내외에 머물러 고체전해질로의 가치가 낮아지는 한계가 있었다.

연구팀은 결정질과 유리질 각각의 장점을 취하고, 열역학적으로 불안정한 할로겐 완전 치환형 구조를 확보하기 위해 새로운 전략, 즉 아지로다이트의 결정화 온도를 낮추는 조성 제어법과 낮아진 결정화 온도에 적합한 2단 기계화학적 밀링(milling) 신공정을 개발했다. 이를 통해 고온 열처리 공정 없이 약 13.23 mS/cm의 슈퍼 이온전도도를 가지는 할로겐 완전 치환형(약 90.67% 치환률) 아지로다이트 합성에 성공했다.

이번 연구를 주도한 김형철 KIST 박사.[KIST 제공]

합성된 소재는 보고된 슈퍼 이온전도성 고체전해질 가운데 가장 낮은 약 12.51GPa의 탄성계수를 동시에 가지기 때문에 전고체 전지 계면성능 향상에도 유리하다. 또한 상온·상압 원팟 신공정은 전체 15시간 이내에 공정이 완료되어 슈퍼 이온전도성을 확보한 고체전해질 가운데 생산성이 가장 높다. 이는 슈퍼 이온전도성 고체전해질을 합성하는 기존 공정 대비 약 2배~6배가량 향상된 소재 생산성으로 독보적 성과이다.

김형철 KIST 박사는 “상온·상압 신공정으로 고탄성·고이온전도성 고체 전해질 신소재를 개발하는 데 성공했다”며 “개발된 신소재는 고온 열처리 공정을 없애 소재 생산성이 극대화되었고, 전고전지 전극 계면 문제 해결에 적합한 고탄성·고이온전도성을 동시에 보유하고 있어 전기자동차와 에너지 저장시스템(ESS)에 적합한 전고체 전지 상업화의 기폭제가 될 것”이라고 기대했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’ 최신호에 게재됐다.