전기차에 사용되는 리튬 이온 배터리의 핵심 요소 중 하나는 리튬 이온의 이동을 통해 전하 균형을 맞추는 전해질이다. 액체 상태인 전해질은 누출 위험과 외부 충격이나 열로 인한 화재 사고 위험이 있다.

기존 전해질 대신 고체 전해질을 사용할 경우 안전성은 높일 수 있다. 하지만 액체 전해질에 비해 낮은 이온 전도성과 충전 속도의 한계가 있다.

POSTECH(총장 김성근)은 화학과 박문정 교수·김보람 박사 연구팀이 크기가 서로 다른 두 종류의 나노 입자가 격자 구조화된 이종 나노입자 전해질을 합성해 이온 전도성과 기계적 안정성을 동시에 향상시키고 이를 핵심 구성품으로 하는 전고체 리튬-황 배터리를 개발했다고 18일 밝혔다.

연구팀은 안과 밖의 분자 구성이 다른 두 코어(core)-쉘(shell) 나노 입자를 조립해 초격자 고체 전해질을 만들었다. 촘촘한 격자 구조로 리튬 이온이 지나가는 통로 폭을 좁혀 이온이 흩어지지 않고 잘 이동할 수 있도록 만든 것이다. 또 초격자 구조를 조절해 리튬 이온 수송에 최적화된 고체 전해질을 개발하는 데 성공했다.

그 결과, 연구팀이 개발한 고체 전해질 기반 전고체 배터리는 섭씨 25도에서 뛰어난 이온 전도도(10^-4 S/cm)와 리튬 전이율(0.94)을 기록했다. 또 넓은 온도 범위(25~150°C)에서도 높은 탄성계수(0.12 GPa)를 가지며 최대 6V(볼트)의 전압에서도 작동하는 등 우수한 물리적·화학적 안정성을 보였다.
 

박문정 교수는 "액체 첨가제를 사용하지 않고 리튬-황 배터리에 고체 전해질을 성공적으로 적용한 것은 이번이 처음"이라며 "이번 연구가 미래의 리튬 배터리 연구에 큰 도움이 되길 바란다"고 기대했다.

이번 연구는 재료공학 분야 국제 학술지 '머티리얼즈 호라이즌스(Materials Horizons)' 표지 논문으로 게재될 예정이다.

[참고자료]
논문명 : All-solid-state lithium–sulfur batteries enabled by single-ion conducting binary nanoparticle electrolytes.