“음이온 회전시켰더니” 리튬 이동속도↑…‘전고체 배터리’ 성능 높일 방법 찾았다

[헤럴드경제=구본혁 기자] 폭발위험을 원천 차단한 전고체 배터리의 성능을 높일 새로운 방법이 제시됐다. 고체전해질 내부에서 음이온이 제자리에서 회전하며 리튬이온의 이동 속도를 높인다는 사실이 새롭게 확인됐다.

한국기초과학지원연구원(KBSI)은 지능형 이차전지 전략연구단 이영주 박사 연구팀이 고체전해질에서 음이온의 회전과 리튬이온의 이동이 서로 맞물려 일어나는 원리를 규명했다고 21일 밝혔다.

전고체 배터리는 화재 위험이 있는 액체전해질 대신 고체전해질을 사용해 안전성을 높일 수 있다. 하지만 고체 내부에서는 리튬이온이 자유롭게 이동하기 어려워 이온전도도를 높이는 것이 성능 향상의 핵심 과제로 꼽힌다.

연구팀은 리튬이온의 이동 통로를 가진 아지로다이트계 고체전해질에 포함된 보로하이드라이드(BH4-) 음이온에 주목했다. 보로하이드라이드는 붕소 원자 하나에 수소 원자 네 개가 결합한 구조로, 고체전해질 결정 안에서도 제자리에서 방향을 바꾸며 회전할 수 있다.

앞선 연구에서는 보로하이드라이드를 첨가하면 이온전도도가 높아질 수 있다는 사실이 알려졌지만, 음이온의 회전이 리튬이온 이동에 어떤 영향을 미치는지는 명확하게 규명되지 않았다.

연구팀은 고체 핵자기공명분광법과 분자동역학 시뮬레이션을 활용해 두 움직임의 상관관계를 분석했다.

그 결과 보로하이드라이드의 회전과 리튬이온의 이동이 반복적으로 맞물리면서 리튬이온의 장거리 이동을 촉진하는 것으로 나타났다.

특히 시뮬레이션에서 보로하이드라이드의 회전을 제한하자 리튬이온 확산성이 거의 절반으로 감소했다. 음이온의 회전이 단순한 부수적 움직임이 아니라 리튬이온 이동을 돕는 중요한 요인임을 확인한 것이다.

음이온의 배치도 리튬이온 이동에 영향을 미쳤다. 보로하이드라이드가 결정 구조 내부의 서로 다른 두 위치에 함께 자리할 경우 리튬이온의 이동 공간이 고르게 형성돼 한 공간에서 다른 공간으로 더욱 원활하게 이동할 수 있었다.

이번 연구는 고체전해질의 화학적 성분뿐 아니라 내부 음이온의 배치와 움직임까지 함께 고려해야 한다는 새로운 설계 방향을 제시했다는 점에서 의미가 있다.

향후 리튬이온이 빠르게 이동하는 고성능 고체전해질을 효율적으로 개발하고 소재 설계 과정의 시행착오를 줄이는 데 기여할 것으로 기대된다.

이영주 박사는 “이번 연구는 고체전해질 안에서 주변 음이온의 회전이 리튬이온 이동을 돕는 과정을 규명한 성과”라며 “전고체 배터리용 고체전해질의 이온전도 성능을 높이는 새로운 설계 기준으로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 게재됐다.