“폭발사고 원천봉쇄” 전고체전지 상용화 성큼

[헤럴드경제=구본혁 기자] 최근 전기자동차 및 에너지저장시스템 (ESS)의 시장이 급속도로 성장함에 따라 리튬이온전지의 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 하지만 리튬이온전지는 가연성의 액체 전해질을 이용하고 있어 이로 인한 화재 및 폭발사고가 발생하면서 안전성에 논란이 가열되고 있다. 비가연성의 고체 전해질을 이용한 리튬전고체전지가 화재 및 폭발 위험성이 없는 차세대 이차전지로 주목을 받고 있지만, 고체 전해질은 액체 전해질과 비교해 리튬의 이온 전도도가 낮다는 문제점이 있다.

한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구센터 류승호 박사 연구팀은 황화물계 고체 전해질의 소재 및 합성공정을 최적화해 액체 전해질의 이온 전도도에 상응하는 고이온 전도성 고체 전해질을 개발했다고 19일 밝혔다.

액체 전해질의 이온전도도에 상응하는 다양한 리튬전고체전지의 고체 전해질 후보물질들이 속속 보고되고 있는 가운데 황화물계 고체 전해질은 상대적으로 높은 이온 전도도를 보여 소재 및 합성 공정 개선을 위한 연구가 시도되고 있다. 황화물계 고체 전해질의 경우 대기 노출시 수분과 반응하여 유독한 황화수소(H2S) 가스를 발생시키는 문제가 있어, 이를 해결하기 위한 연구 또한 함께 진행돼야만 했다.

연구팀은 고이온전도성 황화물계 고체 전해질 중 하나인 아지로다이트(Argyrodite) 고체 전해질 소재 내부에 안티모니(Sb)와 게르마늄(Ge)를 도입하고 리튬(Li)을 삽입해 고이온전도성 고체 전해질을 개발했다. 이는 상용 액체 전해질에 상응하는 수준으로, 기존에 개발 아지로다이트 황화물계 고체 전해질의 최고 수준 이온전도도를 넘어선다. 연구팀은 개발된 고체 전해질을 상용 양극에 적용해 액체 전해질을 이용한 경우와 유사한 초기 용량을 얻었다.

또한 기존 황화물계 고체 전해질의 경우 대기 노출시 수분과 반응하여 유독한 황화수소 가스를 발생하는 문제가 있지만, 이번 연구에서는 안티모니를 도입하여 수분과의 반응성을 줄여 황화수소 가스 발생을 70% 이상 저감하는 결과를 얻었다.

류승호 박사는 “개발된 고체 전해질은 액체 전해질에 상응하는 고이온 전도도를 보이며, 기존의 황화물계 고체 전해질의 대기 안정성을 크게 개선해 폭발 위험성 없는 고안전성 리튬전고체전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 에너지소재 분야 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스’ 최신호에 게재됐다.