스마트폰 배터리 안정성 높이는 핵심소재 개발

ETRI는 리튬이차전지용 안정성이 우수한 고체전해질 개발에 성공했다. 사진은 ETRI 전력제어소자연구실 신동옥 선임연구원이 고체전해질의 성능을 검증하기 위해 이온전도도를 테스트 하고 있는 모습

고체전해질 원천기술 확보, 배터리 안정성 기술 확보
이온 전도도 및 열처리 시간단축, 성능 향상 및 비용 감소
[아시아경제 이창환 기자] 국내 연구진이 스마트폰 및 노트북 등에 배터리로 많이 쓰이는 리튬(Li) 이차 전지의 안정성을 크게 높였다. 그동안 전지내 전해질은 가연성 액체여서 외부의 충격이나 고온시 배터리의 위험성이 있어 왔는데 이를 고체로 해결했다.

ETRI(한국전자통신연구원)는 연구책임자인 전력제어연구실의 이영기 박사와 서울대학교 강기석 교수 등 공동연구팀이 세라믹종류의 산화물계(LLZO) 고체 전해질을 개발했다고 6일 밝혔다.

이번 연구결과는 네이처(Nature) 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 지난해 12월 15일자로 게재됐다.

연구진은 이번 성과로 향후 안전성이 요구되는 전기자동차 배터리나 발전소, 군사용 대용량 에너지 저장시스템, 인체와 직접 맞닿는 웨어러블 기기의 배터리에 효과적으로 쓰일 전망이라고 밝혔다.

ETRI 연구진은 리튬이온의 이동속도를 향상시켜 이온전도도를 높임과 동시에 이에 필요한 고온 열처리 시간과 공정비용을 대폭 감소시켜 시너지 효과를 내는다중원소 도핑 기술을 적용했다.

연구진은 원래 원소인 LLZO(리튬, 란타늄, 지르코늄, 산소)에 이종의 물질(알루미늄, 탄탈륨)을 소량 첨가, 성질을 급변하게 만들었다. LLZO 결정구조 내에서 금속원소들의 도핑 위치를 제어해 이온 전도도를 향상시킬 수 있는 새로운 원리를 규명한 것이다.

합성된 다중원소 도핑형 LLZO 분말(左) 및 리튬이온전도도 측정을 위해 제작된 펠렛 형태의 소결체(右). 고체전해질을 리튬이온전지에 적용하기 위해서는 박막 또는 후막 형태의 소결체로의 제작이 필요함.

연구진은 상호 시너지를 유발하는 두 종류의 원소를 LLZO에 도핑했다. 이후 고온 열처리 시간을 기존의 1/12 수준인 2시간까지 대폭 줄였다. 이로써 도핑되지 않은 경우에 비해 3배 이상의 높은 이온 전도도를 확보하는데 성공했다.

또한 연구진은 다중도핑 방식을 통해 그동안 밝히지 못했던 결정구조 내에서 도핑된 원소들의 위치분포를 분석, 성능향상의 근본원리를 규명하고 메커니즘을 학문적으로 밝힌 게 큰 성과라고 설명했다.

그동안 리튬이차전지는 높은 에너지 밀도와 고수명의 우수한 성능으로 휴대폰, 노트북 등 휴대용 전원 뿐만 아니라 전기자동차, 에너지 저장장치 등의 중대형 전원으로도 활용이 확장되고 있다.

따라서 전 세계적으로도 기존 리튬이차전지에서 사용하는 액체 전해질을 고체로 대체, 외부 충격에 의한 파손시 누액이나 폭발의 위험성이 없고, 고온이나 고전압 상황에서도 높은 에너지 밀도를 유지하는 차세대 전지 개발이 활발히 진행되고 있다.

핵심소재인 고체 전해질 개발이 관건인데, 황화물(Sulfide)계 소재는 전지의 충·방전 효율을 좌우하는 이온 전도도가 액체 전해질에 근접할 만큼 높지만 수분과 산소에 취약, 실제 생산에 적용하는데 있어 어려움이 컸다.

반면 산화물(Oxide)계 고체전해질은 안정성은 우수하지만 낮은 이온 전도도와 고온 열처리 공정 시간이 길다는 점이 문제가 되어 왔다.

향후 연구진은 고체 전해질을 기반으로 직접 작동하는 리튬이온 전지를 만들고 대량생산에 주력할 계획이다. 상용화는 약 5년 후로 보고 있으며 액체 전해질 대비 성능을 높이는 것도 추진할 과제다.

현재 연구진은 두께 3mm, 지름 16mm 크기의 고체 전해질을 만들었다. 이는 향후 리튬 이차전지내 분리막 및 액체전해질 역할로 더 이상 액체전해질 주입공정이 사라질 전망이다.

ETRI는 본 성과가 전지의 디자인에도 장점이 있다고 밝혔다. 액체 전해질의 경우 전지내에 빈공간이 많은데 비해 고체의 경우 전지를 꽉 채워 에너지 밀도를 극대화 할 수 있기 때문이다.

본 연구성과 저널의 제 1저자인 ETRI 전력제어소자연구실 신동옥 박사는“우수한 안정성을 갖고 이온 전도도 향상을 위한 실마리를 찾음으로써 차세대 리튬 이차전지의 핵심소재인 고체전해질 확보에 큰 의미가 있다”고 말했다.

본 연구는 산업통상자원부 에너지미래기술개발사업 ‘중대형 전고체 리튬이차전지용 유무기 하이브리드 고체전해질’ 과제의 일환으로 수행되었다.

ETRI 이영기 박사 연구팀은 지난 4년간 리튬 이차전지용 고체전해질 관련 연구 개발을 수행해 왔으며, 지금까지 선행과제 포함 약 30여건의 국내·외 특허확보는 물론, SCI급 논문 30여편과 이차전지 관련 업체에 3건의 기술이전을 진행했다.

이창환 기자 goldfish@asiae.co.kr