“화재 위험 원천봉쇄” 꿈의 배터리…전고체전지 상용화 청신호

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 전기차 배터리 화재를 원천봉쇄할 수 있는 꿈의 배터리 ‘전고체 전지’ 상용화를 앞당길 획기적인 성과를 내놨다.

광주과학기술원(GIST)은 에너지융합대학원 김상륜 교수 연구팀이 LG에너지솔루션 연구팀 및 한국전자기술연구원(KETI) 차세대전지연구센터와 함께 이온전도성을 높이고 리튬 메탈에 대하여 안정된 반응을 보이는 수소화-황화물계 고체 전해질을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구 성과로 기존 아지로다이트(은, 게르마늄, 황이 결합된 희귀광물) 구조의 황화물계 고체 전해질이 갖고 있던 한계를 극복하고, 고전압·고전류에서도 우수한 안정성으로 구동되는 NCM/Li 전고체 배터리의 고체 전해질을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

NCM 양극재와 리튬 메탈 음극재를 사용하는 전고체 배터리는 높은 에너지·파워 밀도를 갖기 때문에 차세대 전기자동차, 선박 등에 활용될 수 있다.

하지만 고체 전해질의 NCM 및 리튬 메탈에 대한 불안정한 반응으로 인해 고전류 밀도에서 구동이 어렵고 비가역 용량이 빈번히 발생하는 단점이 있다.

연구팀은 수소화물 음이온과 황 음이온을 아지로다이트 황화물계 고체전해질의 결정 구조에 공존시키는 독자적 재료 설계를 통해 향상된 이온전도성과 환원성을 겸비하는 고체 전해질뿐만 아니라 고성능 전고체 배터리를 설계할 수 있었다.

고안된 수소화-황화물계 고체 전해질 Li5PS4(BH4)2를 통해 고전류에서도 리튬 메탈에 대하여 안정된 반응을 일으켜 고체 전해질과 리튬 메탈에 대한 낮은 계면 저항을 확인했다.

연구팀은 수소화-황화물계 고체전해질을 통해 NCM/Li 전고체 배터리에 적용한 결과, 고전류 밀도에서 200회 충·방전 후에도 쿨롱 효율이 100%에 근접하는 가역적인 방전용량을 가지는 고성능 NCM/Li 전고체 배터리를 만드는 데 성공했다.

김상륜 교수는 “이번 연구 성과는 고환원성의 수소화물의 중요성을 제시하고 NCM/Li 전고체 배터리용 고체전해질 설계에 대한 이해를 증진하는 데 도움이 된다”며 “향후 수소화물을 활용한 전고체 배터리뿐만 아니라 리튬이온 배터리, 소듐이온 배터리, 포타슘이온 배터리 등 의 차세대 배터리 기술 개발에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘ACS energy letters’에 8월 21일 온라인 게재됐다.