[인더스트리뉴스 이건오 기자] 리튬이온전지에 일반적으로 사용되고 있으나 화재나 폭발 등에 취약한 액체 전해질의 대안으로 비가연성의 고체 전해질에 관한 연구가 활발히 이뤄지고 있다.
이온전도성이 뛰어난 황화물계 고체 전해질이 대표적인데, 고에너지밀도 전지에 필요한 고전압 양극 소재와의 화학적 불안정성이 상용화를 가로막고 있다. 이에 따라 최근에는 결합력이 강해 고전압 환경에서도 안정적인 염화물계 고체 전해질에 관한 관심이 높아지고 있다.
한국과학기술연구원(KIST)은 에너지저장연구센터 류승호 박사와 계산과학센터 한상수 박사, Lawrence Livermore National Laboratory(이하, LLNL) 브랜드 우드(Brandon Wood) 박사 공동연구팀이 계산과학을 통해 불소(F)가 치환된 고전압 안정형 염화물계 고체 전해질을 개발했다고 밝혔다.
LLNL은 미국 국가핵안전관리처 산하의 대표적인 국가연구소로 우수한 슈퍼컴퓨팅 시설을 보유하고 있으며, KIST와 LLNL은 2019년부터 이차전지 분야에서 공동연구를 수행 중이다.
연구팀은 염화물계 고체 전해질(Li3MCl6)의 고전압 안정성 높이기 위해 화학적 결합력이 강한 불소(F)가 치환된 염화물계 고체전해질(Li3MCl5F)의 최적 조성 및 설계 원리를 제시했다.
KIST에서 수립한 염화물계 고체 전해질의 고전압 안정성 향상 전략에 대해 LLNL에서는 슈퍼컴퓨터로 결과를 계산하고 이를 다시 KIST에서 실험을 통해 검증했다. 공동연구팀은 우선 계산과학을 활용해 성공 가능성이 높은 소재 설계 방법을 찾고, 이를 실험실에서 추가 검증함으로써 시간과 비용을 절약하는 전략을 채택했다.
연구팀에서 제시한 설계 원리로 합성된 염화물계 고체 전해질을 전고체 전지에 적용해 고전압 환경에서 전기화학적 안정성을 평가한 결과, 액체 전해질이 적용된 상용 리튬이온전지와 유사한 4V 이상의 고전압 안정성을 보였다. 이에 따라 불소(F)가 치환된 염화물계 고체 전해질은 고전압에서 불안정한 황화물계 고체 전해질을 대체해 전고체 전지의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.
공동연구팀은 전고체 전지의 상용화를 앞당기기 위해 소재의 합성 공정, 전극·전지 제조 공정 최적화에 필요한 후속 연구를 수행할 예정이다. 한-미 공동연구를 통해 상용화에 성공할 경우, ESS, 전기차 등 이차전지의 최대 수요국 중 하나인 미국에서 전고체 전지의 핵심 요소인 고체 전해질 시장을 선점할 수 있다.
KIST 류승호 박사는 “이번 연구 성과는 불소가 치환된 고전압 안정형 염화물계 고체 전해질에 대한 새로운 설계 원리를 제시한 것”이라며, “화재 위험성이 없는 고에너지밀도 차세대 리튬 전고체 전지의 상용화가 앞당겨질 것”이라고 말했다.
LLNL 브랜든 우드 박사는 “새로운 고체 전해질 개발을 위해 계산과학 기반의 설계 원리를 제시하고 이를 실험으로 검증한 체계적인 국제협력 연구였다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 과기부 지원으로 KIST의 주요사업과 기후변화대응기술개발사업, 산업부의 리튬 기반 차세대이차전지 성능 고도화 및 제조기술개발사업, 자동차산업핵심기술개발사업을 통해 수행됐다. 이번 연구 성과는 에너지 소재 분야의 국제학술지인 <ACS Energy Letters> 최신호에 논문명 ‘Fluorine-Substituted Lithium Chloride Solid Electrolytes for High-Voltage All-Solid-State Lithium-Ion Batteries’로 게재됐다.
