슈퍼 이온전도성 고체전해질 신소재 개발
슈퍼 이온전도성 고체전해질 신소재 개발
  • 함예솔
  • 승인 2020.03.30 15:55
  • 조회수 1774
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

요약

 

슈퍼 이온전도성 고체전해질 신소재가 개발됐습니다. 액체전해질과 동등한 수준의 이온전도도를 가져 전기자동차용 전고체전지에 고체전해질로 활용이 가능한 슈퍼 이온전도성 신소재입니다. 개발된 소재는 폭발과 화재의 위험이 없는 배터리의 상용화에 도움이 될 전망입니다. 

KIST 연구진이 개발한 슈퍼이온전도성 고체전해질 소재의 쾌속 합성 공정 개념도와 전고체전지 적용 사례를 그린 일러스트. 출처: KIST
KIST 연구진이 개발한 슈퍼이온전도성 고체전해질 소재의 쾌속 합성 공정 개념도와 전고체전지 적용 사례를 그린 일러스트. 출처: KIST

국내 연구진이 차세대 배터리로 알려진 전고체전지(All-Solid-State Battery)용 고체전해질 신소재의 성능과 양산성을 크게 개선하여 주목을 받고 있습니다. 한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구단 김형철 박사팀은 기존 배터리에 사용되는 액체전해질과 동등한 수준의 이온전도도를 가지는 황화물계 슈퍼 이온전도성 소재를 개발했다고 밝혔습니다. 또한, 함께 발표한 새로운 합성 기술은 기존 대비 공정시간을 1/3 이상 단축시킬 수 있어 슈퍼 이온전도성 소재의 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것으로 보입니다. 해당 연구는 <Nano Letters>에 게재됐습니다. 

 

  • 슈퍼 이온전도성(superionic)

상온 기준 10~100 mS/cm의 이온전도도 수준으로 고체가 이동성이 높은 이온을 가질 때를 말합니. 이 현상은 단단한 결정 구조에서 일어나는 이온의 건너뜀에 의존하는 것으로 알려졌습니다. 이런 물성을 가진 소재는 배터리, 연료전지 혹은 센서와 같은 전기화학 소자에서 고체전해질로 활용되어 최근 주목 받고 있습니다. 

리튬이온전지 안전성 문제 부각, 전고체전지 기술 주목

 

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

나노결정핵 쾌속합성법에 기반한 전고체전지용 고체전해질 기술 요약. 출처: KIST
나노결정핵 쾌속합성법에 기반한 전고체전지용 고체전해질 기술 요약. 출처: KIST

KIST 김형철 박사팀은  아지로다이트(argyrodite)라고 불리는 황화물 결정 구조를 활용해 슈퍼 이온전도성이 구현되는 고체전해질을 개발했습니다. 그동안 이 결정 구조는 높은 리튬 농도와 구조적 안정성으로 활용 기대감이 컸었지만 리튬이온이 결정 내 팔면체 케이지(cage)에 갇혀 있는 구조적 특이성으로 이온전도도가 4mS/cm 이하에 머물렀습니다.

개발된 신소재의 이온전도성 관련 연구 결과. 출처: KIST
개발된 신소재의 이온전도성 관련 연구 결과. 출처: KIST

 

  • 아지로다이트(argyrodite)

1886년 Clemens Winkler에 의해 Ag8GeS6 형태로 처음 발견된 광물 구조입니다. 주로 황화물계로 구성되며, 최근 양이온을 리튬 등의 알칼리 금속으로 대체하여 전기화학 소자에 적용하는 연구가 활발합니다.

KIST 김형철 박사팀은 특정 원자 위치에 할로겐 원소인 염소(Cl)를 선택적으로 치환하는 기술을 확보해 팔면체 케이지를 넘나드는 리튬 이온 경로를 새롭게 발현시켰습니다. KIST 연구진이 개발한 새로운 소재는 상온에서 기존 액체전해질과 동등한 수준인 10.2mS/cm의 이온전도도를 확보하고 있으며 다양한 배터리 운전 조건에서 전기화학적 안정성도 여전히 유지하고 있습니다.

 

공정시간 단축으로 상용화 가능성↑

 

덧붙여 KIST 연구진이 보고한 새로운 합성법은 슈퍼 이온전도성 소재의 양산성 극대화가 가능해 더욱 주목받았습니다. 기존 공정은 수 일 이상의 합성 공정이 필요한 데 비해 본 연구에서는 나노결정핵을 실시간으로 형성하는 고에너지 공정과 적외선 급속 열처리 기술을 조합한 간단한 합성법을 제안하여 공정시간을 10시간 이내로 단축했습니다.

김형철 책임연구원. 출처:KIST
김형철 책임연구원. 출처:KIST

 

 

 

본 연구를 주도한 KIST 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 밝혔습니다. 

 

 

 

 

 


##참고자료##

 

 


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

  • 충청남도 보령시 큰오랏3길
  • 법인명 : 이웃집과학자 주식회사
  • 제호 : 이웃집과학자
  • 청소년보호책임자 : 정병진
  • 등록번호 : 보령 바 00002
  • 등록일 : 2016-02-12
  • 발행일 : 2016-02-12
  • 발행인 : 김정환
  • 편집인 : 정병진
  • 이웃집과학자 모든 콘텐츠(영상,기사, 사진)는 저작권법의 보호를 받은바, 무단 전재와 복사, 배포 등을 금합니다.
  • Copyright © 2016-2020 이웃집과학자. All rights reserved. mail to contact@scientist.town
ND소프트