전고체 전지는 양극과 음극 사이의 전해질이 고체로 된 2차전지다. 에너지 밀도가 높고 기존의 리튬이온전지에 비해 화재·폭발 위험성이 현저히 낮아 차세대 배터리 기술로 꼽힌다.
전고체 전지용 전해질을 고온(500oC) 열처리 없이 상온에서 만드는 기술이 국내서 개발됐다. 제조 단가를 낮추고 소재 탄성을 높여 전고체 전지의 안정성도 동시에 키울 수 있어 상용화되면 국내 관련 산업의 경쟁력이 크게 강화될 것으로 기대된다.
한국과학기술연구원(KIST)은 에너지소재연구센터 김형철 책임연구원팀이 높은 이온전도성과 탄성변형성을 가진 고체전해질을 상온·상압 one-pot공정으로 합성하는 데 성공했다고 15일 밝혔다.
특히 이번연구성과는 고질적인 계면 문제를 해결할 수있어 관심을 끌고 있다.
전해질 소재 중에는 이론적으로 결정화를 시키면 이온전도성을 매우 높일 수 있는 황화물 아지로다이트가 주목받아 왔다. 그러나 이를 위해선 500도 이상 고온 열처리를 거쳐야 했다. 또 이렇게 만든 경우 탄성이 떨어져 전고체 전해질의 단점인 음극과 양극에 잘 달라붙지 않는 문제를 해결하기 어려웠다.
연구팀은 아지로다이트 결정화 온도를 낮추기 위해 기계 화학적 공정인 '밀링(milling)'을 2단으로 적용하는 새 공정을 개발해 이런 문제를 해결했다.
이를 통해 고온 열처리 없이도 액체 전해질과 비슷한 13.23mS/cm 슈퍼 이온전도도를 가지는 할로겐 완전 치환형 아지로다이트 합성하는데 성공한 것이다.
이 소재는 탄성도가 다른 고체전해질보다 낮아 전지 계면에 활용하는 데 유리하다고 연구팀은 설명했다.
또 15시간 내로 공정을 마무리할 수 있어 기존 공정 대비 소재 생산성을 최대 6배 높였다고 덧붙였다.
김 책임연구원은 "고온 열처리 공정을 없애 소재 생산성을 극대화하고 전극계면 문제 해결에 적합한 고탄성·고이온 전도성을 동시에 갖췄다"며 "전기자동차와 에너지 저장시스템(ESS)에 적합한 전고체 전지 상업화의 기폭제가 될 것"이라고 설명했다.
연구 결과는 기능성 재료 분야 국제학술 저널 ‘Advanced Functional Materials’ 최근호에 게재됐다. 논문명: ‘Annealing-Free Thioantimonate Argyrodites with High Li-Ion Conductivity and Low Elastic Modulus’