정윤석 교수팀, 신개념 할라이드 나노복합체 고체전해질 소재 개발

고이온 전도성 금속산화물-고체전해질 나노복합체 계면이온전도 활성화 원리 규명

저비용 고체전해질 소재 개발로 전고체전지 상용화 난제 해결

국제 저명 학술지 ‘Nature Communications’ 게재

[사진. (윗줄 왼쪽부터) 우리 대학교 정윤석 교수, 곽히람 박사(제1저자), 김종석 연구원, 

(아랫줄 왼쪽부터) UNIST 서동화 교수, UNIST 김재승 연구원, 동국대 남경완 교수, 동국대 한다슬 연구원]

공과대학 화공생명공학과 정윤석 교수 연구팀은 울산과학기술원(UNIST) 서동화 교수팀, 동국대 남경완 교수팀과 공동연구를 통해 할라이드계 고체전해질의 이온전도도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 계면전도 활성화 현상을 발견하고 이를 이용한 고이온 전도성 할라이드계 금속산화물-고체전해질 나노복합체를 개발했다. 

리튬이온전지는 스마트폰부터 전기자동차에 이르기까지 다양한 분야에서 활용되며 우리나라 주력 산업 중 하나로 자리매김하고 있다. 하지만 기존 리튬이온전지는 인화성의 유기계 액체전해질을 사용하기 때문에 발화 및 폭발 등 안전상의 문제가 있다. 특히, 수천 개의 리튬이온전지가 밀집돼 있는 전기자동차 및 대용량 에너지저장장치는 사고 발생 시 막대한 재산 및 인명 피해를 초래할 수 있다.

이를 해결하기 위해 전 세계적으로 ‘꿈의 배터리’로 평가받는 전고체전지의 개발이 진행 중이다. 전고체전지는 발화 시 연료가 되는 유기계 액체전해질을 난연성의 고체전해질로 대체함으로써 높은 안전성을 제공한다. 또한 다수의 단위셀을 촘촘하게 붙일 수 있는 바이폴라(Bipolar) 구조 설계 및 고용량 리튬금속 음극 적용이 가능해 고에너지 밀도 및 고출력 전지 제작이 가능하다.

황화물계 고체전해질은 액체전해질과 유사한 높은 이온전도 특성(1~10mS/cm)을 가지며 무른 기계적 물성으로 입자 간 접촉면 형성이 용이해 핵심 고체전해질 소재로 여겨지고 있다. 하지만 고전압 안정성 및 화학적 안정성이 취약해 4V 이상의 양극 적용이 어렵고, 대기 중 수분과 반응하면 독성 기체인 황화수소를 발생시키며 빠르게 퇴화하는 문제가 있다.

이에 반해, 할라이드계 고체전해질은 황화물계와 비슷한 기계적 물성을 가지면서 황화수소 발생 문제가 없고, 준수한 이온전도도 및 우수한 고전압 안정성을 가지고 있어 4V급 양극 기반 전고체전지 적용에 적합하다. 그러나 할라이드계 고체전해질은 희토류 금속을 기반으로 합성돼 가격이 비싸며, 중국에 편중된 수입 공급망을 형성하고 있다. 또한, 이온전도도를 황화물계 소재 수준까지 향상하기 위해 중심 금속 또는 음이온 치환 등 조성 제어 및 구조 탐색의 고전적인 방법론이 적용됐으나, 최고 이온전도도는 약 1mS/cm에 머무르고 있다. 

정윤석 교수 연구팀은 기계화학적 합성법을 이용해 금속산화물-고체전해질 나노복합체(ACl-ZrO2-A2ZrCl6, A=Li+, Na+)를 성공적으로 제조했다. 이 신규 물질은 계면이온전도 현상을 이용해 1mS/cm 이상의 높은 이온전도도를 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 전기화학적 안정성까지 동시에 갖출 수 있다. 또한, 기존 희토류 금속이 아닌 지르코늄(Zr) 기반의 소재로, 대표적인 황화물계 고체전해질인 아기로다이트(Argyrodite, Li6PS5Cl) 물질과 비교했을 때도 가격 측면에서 우위를 점할 수 있어 대량 생산 관점에서도 장점이 있다.

[그림. 논문 대표 이미지]

본 연구에서는 계산화학, X-선 Pair Distribution Function(PDF) 및 NMR 고도분석을 접목해 계면이온전도 활성화 현상의 원리를 규명하고, 금속산화물-고체전해질 나노복합체의 보편적인 설계 원리를 확립했다. 이를 통해 계면이온전도 활성화 현상이 다른 종류의 고체전해질에도 광범위하게 적용 가능한 기반을 마련했다.

정윤석 교수는 “이번 연구는 고전적인 고체전해질 개발 방식을 넘어 계면이온전도 현상을 활용해 고체전해질 개발의 새로운 차원을 제시한 결과로, 전고체전지 상용화에 기여할 수 있을 것이라 기대한다.”고 전했다.

본 연구는 삼성미래기술육성사업 및 한국연구재단 단계도약형 탄소중립기술개발 지원으로 우리 대학교 곽히람 박사, UNIST 김재승 박사과정생 및 동국대 한다슬 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했고, 에너지기술 분야 국제 저명 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 4월 28일(현지시간) 게재됐다.

논문정보

●논문제목: Boosting the interfacial superionic conduction of halide solid electrolytes for all-solid-state batteries

●논문주소: https://doi.org/10.1038/s41467-023-38037-z