최근 전기자동차에 최적화된 배터리 개발을 위해 높은 안정성과 에너지 밀도를 갖는 이차전지 관련 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데 그중에서도 ‘꿈의 배터리’로 불리는 차세대 전지의 일종인 ‘전고체 배터리’에 대한 관심이 높아지고 있다. 

전고체 배터리는 양극과 음극 사이 액체 전해질을 고체로 대체함으로써 화재 및 폭발 위험도를 크게 낮추고 에너지 밀도가 증가할 것으로  기대되며 상용화를 앞당기기 위해 배터리 관련 기업에서도 기술 개발에 적극 나서고 있다.

광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 에너지융합대학원 김상륜 교수 연구팀이 LG에너지솔루션 연구팀 및 한국전자기술연구원(KETI) 차세대전지연구센터와 함께 이온전도성을 높이고 리튬 메탈에 대하여 안정된 반응을 보이는 수소화-황화물계 고체 전해질을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구 성과로 기존 아지로다이트(은, 게르마늄, 황이 결합된 희귀광물) 구조의 황화물계 고체 전해질이 갖고 있던 한계(▴NCM 및 리튬 메탈에 대한 불안정한 반응)를 극복하고, 고전압․고전류에서도 우수한 안정성으로 구동되는 NCM/Li 전고체 배터리의 고체 전해질을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

NCM 양극재와 리튬 메탈 음극재를 사용하는 전고체 배터리는 높은 에너지․파워 밀도를 갖기 때문에 차세대 전기자동차, 선박 등에 활용될 수 있다.

그러나 고체 전해질의 NCM 및 리튬 메탈에 대한 불안정한 반응으로 인해 고전류 밀도에서 구동이 어렵고 비가역 용량이 빈번히 발생하는 단점이 있다.
 
연구팀은 수소화물 음이온과 황 음이온을 아지로다이트 황화물계 고체전해질의 결정 구조에 공존시키는 독자적 재료 설계를 통해 향상된 이온전도성과 환원성을 겸비하는 고체 전해질뿐만 아니라 고성능 전고체 배터리를 설계할 수 있었다.

고안된 수소화-황화물계 고체 전해질 Li5PS4(BH4)2를 통해 고전류에서도 리튬 메탈에 대하여 안정된 반응을 일으켜 고체 전해질과 리튬 메탈에 대한 낮은 계면 저항을 확인했다.

연구팀은 수소화-황화물계 고체전해질을 통해 NCM/Li 전고체 배터리에 적용한 결과, 고전류 밀도에서 200회 충․방전 후에도 쿨롱 효율이 100%에 근접하는 가역적인 방전용량을 가지는 고성능 NCM/Li 전고체 배터리를 만드는 데 성공했다.

김상륜 교수는 “이번 연구 성과는 고환원성의 수소화물의 중요성을 제시하고 NCM/Li 전고체 배터리용 고체전해질 설계에 대한 이해를 증진하는 데 도움이 된다”며 “향후 수소화물을 활용한 전고체 배터리뿐만 아니라 리튬이온 배터리, 소듐이온 배터리, 포타슘이온 배터리 등 의 차세대 배터리 기술 개발에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

GIST 에너지융합대학원 김상륜 교수가 지도하고 이태경 석사과정생이 수행한 이번 연구는 LG에너지솔루션이 지원하는 산학 공동연구 사업과, 한국연구재단의 개인기초연구, 민군협력진흥원의 민군겸용기술개발사업의 지원을 받았으며, 재료과학 분야 저명 국제학술지‘ACS energy letters’에 (미국 현지시간 기준) 2024년 8월 21일 온라인 게재됐다.