화재·폭발 위험 없는 리튬전지용 고체 전해질 개발

ETRI "전기자동차·웨어러블 기기에 안정적 배터리 제공 가능"

국내 연구진이 스마트폰이나 노트북 등에 널리쓰이는 리튬(Li) 이차전지의 화재·폭발 위험을 근본적으로 방지할 수 있는 고체 전해질을 개발했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 6일 전력제어연구실 이영기·신동옥 박사와 서울대강기석 교수 연구팀이 세라믹 종류의 산화물계(LLZO) 고체 전해질을 개발, 리튬 이차전지의 화재·폭발 위험 문제를 해결했다고 밝혔다.

이 연구 결과는 국제학술지 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports, 12월 15일자)에 게재됐다.

각종 모바일 기기에 널리 사용되는 리튬 이차전지는 전지 내 전해질로 가연성액체를 사용, 외부 충격이나 과열 시 화재나 폭발 위험이 있다. 이에 따라 액체 전해질을 고체로 바꿔 안정성을 높이려는 연구가 진행돼 왔다.

현재 고체 전해질로는 황화물(Sulfide)계 소재와 산화물(OXide)계 소재가 연구되고 있다. 황화물계는 이온전도도는 높지만 수분과 산소에 취약해 실제 생산에 적용하는 데 어려움이 있고, 산화물계는 안정성은 우수하지만 이온전도도가 낮고 고온열처리공정 시간이 긴 문제가 있다.

연구진은 이 연구에서 세라믹계산화물인 LLZO(리튬·란타늄·지르코늄·산소)구조 안에 알루미늄과 탄탈륨을 소량 첨가하는 '다중원소 도핑 기술'을 적용, 이온전도도를 높이는 데 성공했다.

상호 시너지를 일으키는 두 종류의 원소를 LLZO에 도핑해 고온 열처리 시간을기존의 12분의 1 수준인 2시간으로 대폭 줄었고 이온전도도는 도핑 전보다 3배 이상높아졌다.

연구진은 이 고체 전해질의 이온전도도는 액체 전해질 대비 70% 수준이지만 외부 충격에 의한 누액이나 폭발 위험 등이 없어 안정성이 요구되는 전기자동차 배터리나 발전소, 군사용 대용량 에너지 저장시스템, 인체와 직접 맞닿는 웨어러블 기기배터리 등에 효과적으로 쓰일 수 있다고 밝혔다.

연구진은 또 다중도핑 방식을 통해 그동안 밝히지 못했던 결정구조 내에서 도핑된 원소들의 위치분포를 분석, 성능 향상의 근본원리를 규명하고 메커니즘을 학문적으로 밝힌 것도 성과라고 덧붙였다.

연구진은 이 연구에서 두께 3mm, 지름 16mm 크기의 고체 전해질을 제작했다. 앞으로 고체 전해질로 직접 작동하는 리튬이온전지를 만들고 이온전도도를 더욱 높여5년 내 상용화를 추진할 계획이다.

논문 제1저자인 신동옥 박사는 "이 연구는 안정성을 높이고 동시에 이온전도도를 향상할 수 있는 실마리를 찾음으로써 차세대 리튬 이차전지의 핵심소재인 고체전해질 기술을 확보했다는 데 큰 의미가 있다"고 말했다.

scitech@yna.co.kr(끝)<저 작 권 자(c)연 합 뉴 스. 무 단 전 재-재 배 포 금 지.>