KIST(한국과학기술연구원·원장 윤석진)는 김형철 에너지소재연구단팀이 기존 배터리에 사용되는 액체전해질과 동등한 수준의 이온전도도를 갖는 황화물계 슈퍼 이온전도성 소재를 개발했다고 26일 밝혔다. 연구팀은 이와 함께 공정시간을 3분의1 단축가능한 새로운 합성기술도 함께 발표했다.

현재 전기자동차 및 에너지저장장치(ESS)용 배터리는 액체전해질 기반의 리튬이온전지를 주로 사용한다. 하지만 최근 안전성 문제가 수차례 부각되면서 가연성 액체전해질을 사용한 기존 배터리 채택에 대한 우려감이 증폭되고 있다. 이를 해결하기 위해, 최근 배터리 구성 요소 모두를 고체 물질로 대체한 전고체전지 기술이 큰 주목을 받고 있다.

하지만 리튬 이온이 자유롭게 이동할 수 있는 액체전해질과 달리 고체전해질은 리튬 이온의 이동이 고체 격자 내에 구속돼있어 액체전해질 대비 10분의1에서 100분의1수준의 낮은 이온전도도를 보유하고 있다. 이는 전고체전지 기술개발의 큰 걸림돌 중 하나였다. 

연구팀은 '아지로다이트'라고 불리는 황화물 결정 구조를 활용해 슈퍼 이온전도성이 구현되는 고체전해질을 개발했다. 특정 원자 위치에 할로겐 원소인 염소(Cl)를 선택적으로 치환하는 기술을 확보해 팔면체 케이지를 넘나드는 리튬 이온 경로를 새롭게 발현시켜 가능했다.

이번에 개발한 신소재는 상온에서 기존 액체전해질과 동등한 수준인 10.2mS/cm의 이온전도도를 확보했다. 다양한 배터리 운전 조건에서 전기화학적 안정성도 유지했다.

이와 함께 공정시간도 10시간 이내로 단축했다.  나노결정핵을 실시간으로 형성하는 고에너지 공정과 적외선 급속 열처리 기술을 조합한 간단한 합성법을 통해 가능했따. 기존 공정은 수 일 이상 합성공정이 필요했다.

김형철 박사는 "전고체전지는 일본을 비롯한 외국 연구진이 선두에서 주도하고 있는 상황인데, 우리나라의 원천 기술로 양산성 있는 고성능 배터리 소재 기술을 개발한 것에 큰 의의가 있다"며 "쾌속 공정을 통한 슈퍼 이온전도성 소재의 합성은 대량 생산과 상용화 가능성이 매우 크고, 향후 고체전해질로써 전기자동차와 ESS에 폭넓게 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구결과는 나노기술분야 국제학술지 '나노 레터스'최신호에 게재됐다.