대구경북과학기술원(DGIST)은 이종원 에너지공학과 교수팀과 문장혁 중앙대 에너지시스템공학부 교수팀이 함께 대기 안정성이 향상된 산화물 고체전해질 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.
리튬이온전지는 전자제품과 전기자동차에 필요한 에너지를 저장하는 시스템으로 널리 쓰인다. 그러나 가연성 액체 전해질을 사용해 불이 붙기 쉽다는 점 때문에 최근 안전성 문제가 계속 제기되고 있다.
반면 고체전해질은 액체전해질에 비해 열에 잘 견디기 때문에 안전성이 더 높다는 장점이 있다. 특히 Li7La3Zr2O12(LLZO) 전해질은 뛰어난 리튬 이온 전도도를 가지고 있어 차세대 전해질로 주목받고 있다.
그런데 LLZO 전해질은 대기에 노출되면 이산화탄소에 반응하면서 표면에 탄산 리튬이 형성된다는 문제가 있었다. 이렇게 생긴 탄산 리튬은 고체전해질 내부까지 침투해 리튬 이온 이동을 방해해 전지를 고장낼 수 있다.
이에 연구팀은 순수 LLZO 전해질에 갈륨 및 탄탈럼을 첨가해 LLZO 전해질이 대기에 노출될 경우 이산화탄소에 반응하는 정도를 줄였다. LLZO 전해질에 갈륨을 섞으면 LiGaO2라는 물질이 생기는데 이것이 수분 및 이산화탄소 표면 흡착을 억제한다. 탄산 리튬이 덜 생기게끔 만들었다는 것이다. 만에 하나 탄산 리튬이 생겨도 고체전해질 내부까지 침투하지 못하는 것을 연구팀은 확인했다.
이종원 교수는 “이번에 만든 고체전해질 디자인 개념을 이용해 기존 리튬이온전지보다 성능을 끌어올리면서 단점이던 대기 안정성도 극복했다”며 “향후 고성능, 고안전성 전고체전지 개발에 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구성과는 DGIST 정우영 석·박사통합과정생이 제1저자로 참여했다. 에너지 분야 국제 전문학술지인 에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)에 11월 2일자로 온라인 게재됐다.
연구는 한국연구재단의 나노 및 소재 기술 개발사업, 선도연구센터사업의 지원을 받아 수행됐다.