국내 연구진이 스마트폰과 노트북에 배터리로 많이 쓰이는 리튬(Li) 이차 전지의 안정성을 크게 높였다. 그동안 전지 내 전해질은 가연성 액체여서 외부의 충격이나 고온 시 배터리의 위험성이 있었는데 이를 고체로 해결했다.

ETRI(한국전자통신연구원·원장 이상훈) 이영기 전력제어연구실 박사와 강기석 서울대학교 교수 공동연구팀은 세라믹 종류의 산화물계(LLZO) 고체 전해질을 개발했다고 6일 밝혔다.

그동안 리튬 이차전지는 높은 에너지 밀도와 고수명의 우수한 성능으로 휴대폰·노트북·전기자동차·에너지 저장장치 등의 전력원으로 활용이 확장되고 있다.

전 세계적으로도 기존 리튬 이차전지의 액체 전해질을 고체로 대체하는 차세대 전지 개발이 활발히 진행되고 있다.

연구팀은 리튬이온의 이동속도를 향상시켜 이온전도도를 높임과 동시에 이에 필요한 고온 열처리 시간과 공정비용을 대폭 감소시켜 시너지 효과를 내는 '다중원소 도핑 기술'을 적용했다.

연구팀은 LLZO(리튬, 란타늄, 지르코늄, 산소) 원소에 이종의 물질(알루미늄, 탄탈륨)을 소량 첨가해 성질을 급변하게 만들었다. LLZO 결정구조 내에서 금속원소들의 도핑 위치를 제어해 이온 전도도를 향상시킬 수 있는 새로운 원리를 규명했다.

이로써 고온 열처리 시간을 기존의 1/12 수준인 2시간까지 대폭 줄였고, 도핑 되지 않은 경우에 비해 3배 이상의 높은 이온 전도도를 확보하는 데 성공했다.

또 연구팀은 다중도핑 방식을 통해 그동안 밝히지 못했던 결정구조 내에서 도핑된 원소들의 위치분포를 분석했고, 성능향상 근본원리를 규명해 메커니즘을 학문적으로 밝혔다. 향후 고체 전해질을 기반으로 직접 작동하는 리튬이온 전지를 만들고 대량생산에 주력할 계획이다.
 
이번 연구성과 제 1저자인 신동옥 ETRI 전력제어소자연구실 박사는 "우수한 안정성을 갖고 이온 전도도 향상을 위한 실마리를 찾음으로써 차세대 리튬 이차전지의 핵심소재인 고체전해질 확보에 큰 의미가 있다"고 말했다. 

이영기 박사 연구팀은 지난 4년간 리튬 이차전지용 고체 전해질 관련 연구 개발을 수행해 왔으며, 지금까지 선행과제 포함 약 30여건의 국내·외 특허, SCI급 논문 30여편, 이차전지 관련 업체에 3건의 기술이전을 진행한 바 있다.

한편, 이번 연구결과는 네이처 자매지인 '사이언티픽 리포트'(Scientific Reports)에 지난해 12월 15일자로 게재됐다.