보도자료
고온 열처리 없애고, 탄성‧생산성 높은 전고체 전지용 고체전해질 개발
- 등록일 : 23-03-15
- 에너지소재연구센터 김형철 책임연구원
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- 상온에서 고체전해질을 원팟(one-pot) 합성하는 신공정과 원리 제시
- 전고체전지의 제조단가 절감과 계면 문제 해결할 돌파구 마련
전고체 전지는 양극과 음극 사이의 전해질이 고체로 된 2차전지로 에너지 밀도가 높고 기존의 리튬이온전지 대비 화재·폭발 위험성이 현저히 낮아 차세대 배터리 기술로 손꼽힌다. 최근 전고체 전지 분야 소재 연구는 액체 전해질과 비슷한 수준의 이온전도성(이온전도도 10 mS/cm 이상)을 확보하기 위해 소재 결정성을 극대화하는 전략에 집중하고 있다. 그런데 이러한 방식은 소재 혼합 혹은 반응 이후 500oC 이상의 고온에서 최대 수일에 걸친 결정화 공정이 필요하다. 이 때문에 공정비용이 높아지고, 기계적 탄성 감소로 인한 전지 계면 접촉 문제를 가지고 있었다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 에너지소재연구센터 김형철 박사 연구팀은 슈퍼 이온전도성과 높은 탄성변형성을 가진 고체전해질을 상온·상압 원팟(one-pot) 공정으로 합성하는 데 성공했다고 밝혔다. 해당 연구성과는 전고체 전지 소재의 생산성을 극대화하는 한편, 탄성변형력을 제고해 고질적 계면 문제를 해결할 수 있어 주목받고 있다.
연구팀은 상온·상압 조건에서 고탄성·고이온 전도성 고체전해질 소재를 합성하기 위해 황화물 아지로다이트(argyrodite) 소재의 결정학적 특징에 주목했다. 이론적으로는 아지로다이트 결정 내 4a 및 4c 자리의 할로겐 치환율을 최대로 높인 상태에서 이온전도성을 극대화할 수 있지만, 열역학적 불안정성으로 소재가 실용적으로 합성된 사례가 없었다. 또한 일반적인 슈퍼 이온전도성 아지로다이트 결정질 소재는 500oC 이상의 고온 열처리를 거쳐야하므로 할로겐 치환율을 극대화할 수 없었으며, 높아진 결정성만큼 탄성변형성은 낮아져 전지 성능의 빠른 열화를 가져왔다. 반대로 고온 열처리를 하지 않으면 유리질처럼 낮은 탄성계수 확보는 가능하지만, 이온전도도는 3 mS/cm 내외에 머물러 고체전해질로의 가치가 낮아지는 한계가 있었다.
연구팀은 결정질과 유리질 각각의 장점을 취하고, 열역학적으로 불안정한 할로겐 완전 치환형 구조를 확보하기 위해 새로운 전략, 즉 아지로다이트의 결정화 온도를 낮추는 조성 제어법과 낮아진 결정화 온도에 적합한 2단 기계화학적 밀링(milling) 신공정을 개발했다. 이를 통해 고온 열처리 공정 없이 약 13.23 mS/cm의 슈퍼 이온전도도를 가지는 할로겐 완전 치환형(약 90.67% 치환률) 아지로다이트 합성에 성공했다. 합성된 소재는 보고된 슈퍼 이온전도성 고체전해질 가운데 가장 낮은 약 12.51GPa의 탄성계수를 동시에 가지기 때문에 전고체 전지 계면성능 향상에도 유리하다. 또한 상온·상압 원팟 신공정은 전체 15시간 이내에 공정이 완료되어 슈퍼 이온전도성을 확보한 고체전해질 가운데 생산성이 가장 높다. 이는 슈퍼 이온전도성 고체전해질을 합성하는 기존 공정 대비 약 2배~6배가량 향상된 소재 생산성으로 독보적 성과이다.
본 연구를 주도한 KIST 김형철 박사는 “상온·상압 신공정으로 고탄성·고이온전도성 고체 전해질 신소재를 개발하는 데 성공했다”며, “개발된 신소재는 고온 열처리 공정을 없애 소재 생산성이 극대화되었고, 전고전지 전극 계면 문제 해결에 적합한 고탄성·고이온전도성을 동시에 보유하고 있어 전기자동차와 에너지 저장시스템(ESS)에 적합한 전고체 전지 상업화의 기폭제가 될 것”이라고 기대했다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)가 지원한 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업, 산업통상자원부(장관 이창양)이 지원한 리튬기반 차세대 이차전지 성능고도화 및 제조기술 개발사업 등으로 수행되었으며, 연구결과는 기능성 재료 분야 저널 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 19.924, JCR 분야 상위 4.658%)에 게재되었다.
* (논문명) Annealing-Free Thioantimonate Argyrodites with High Li-Ion Conductivity and Low Elastic Modulus
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 정으뜸 박사과정 학생연구원
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 김지수 박사후연구원
- (교신저자) 한국과학기술연구원 김형철 책임연구원
<대표 이미지>
KIST 연구진의 상온·상압 원팟 공정으로 합성된 고탄성·슈퍼이온전도성 고체전해질이 독보적인 차세대 전고체전지 기술임을 보여주는 일러스트. Advanced Functional Materials 저널 겉표지(front cover)로 선정됨.
[그림 1] 할로겐 완전 치환형 아지로다이트 고체전해질 형성을 통해 이온전도도와 탄성계수를 제어하는 신기술의 요약
할로겐 원소 충진률 제어를 통해 이온전도도를 극대화하며 동시에 낮은 탄성계수를 지니는 전고체전지용 고체전해질을 합성함.
[그림 2] 2 단계 기계화학적 밀링법으로 합성된 전해질의 결정성, 이온전도도, 1일당 공정 진행률에 대한 성과 요약
상온·상압 원팟 공정으로 개발된 신규 고체전해질은 고온 열처리 공정 없이 높은 결정성(약 57.39%)과 이온전도도(약 13.23 mS/cm)를 보유함. 덧붙여, 본 연구 성과는 보고된 슈퍼 이온전도성 고체전해질 소재 합성법 중 가장 높은 생산성을 지님.