스마트폰이나 노트북 등에 사용되는 리튬이온배터리의 적용 분야는 최근 전기자동차로 확대되고 있다. 하지만 리튬이온배터리는 유기물질로 만든 액체 전해질을 사용하기 때문에 열이나 화재에 취약하다. 스마트폰을 오래 쓰면 생기는 발열 현상도 이런 특성 때문이다. 최근에는 인화성이 있는 액체 전해질을 대체하는 황화물계 고체 전해질에 대한 연구도 이뤄지고 있지만 리튬이온배터리의 성능에 미치지 못하는 게 단점이다.
정윤석 울산과학기술원(UNIST) 교수(사진)와 오승모 서울대 교수 공동연구팀이 주도한 국제공동연구팀이 이러한 기존 리튬이온배터리의 단점을 해결할 수 있는 고체 전해질을 활용해 기존 리튬이온배터리의 성능을 극대화한 고체리튬 배터리 제조 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.
리튬이온배터리에 쓰이는 ‘유기계 액체전해질’은 고온에서 쉽게 기화되고 불에도 잘 타는 성질이 있다. 장기간 사용하면 전지가 부풀고 심한 경우 폭발하기도 한다. 이 문제를 해결하기 위한 대안으로 불에 타지 않는 고체전해질을 쓰는 ‘전고체전지’가 주목받고 있다.
그러나 기존에 연구됐던 분말 형태의 고체전해질은 전해질과 전극에서 에너지를 저장하는 물질(활물질)의 접촉이 원활하지 않다. 연구팀은 고체전해질을 전극의 활물질에 코팅하는 이른바 ‘액상법’이라는 공정을 개발해 이 문제를 해결했다. 액상법은 고체전해질을 우선 용액에 녹인 뒤 용매를 증발시켜 전극의 활물질에 고체전해질을 균일하게 코팅하는 방식이다.
연구팀이 고체전해질로 개발한 물질은 주석 기반의 화합물 메탄올 용액에 요오드화 리튬을 첨가한 것이다. 용액에 잘 녹지만 전도도가 낮은 주석 기반 화합물에 전도도가 높은 요오드화 리튬을 섞어 전도도를 높인 것이다.
정윤석 교수는 “두 물질이 결합하면서 용액에도 잘 녹고 이온 전도도도 높은 고체전해질을 얻게 됐다”며 “액상법을 이용해 고체전해질이 코팅된 전극 활물질을 대량 합성할 수 있다”고 설명했다. 그는 또 “기존에 고체전해질을 활용한 전고체 전지는 고분자 유기물질을 바탕으로 만들었기 때문에 여전히 열이나 불에 취약하다”며 “이번에 개발한 고체전해질은 무기계 물질로 만들어졌기 때문에 전도도가 높은 동시에 화재 위험도 없으며 전기 출력도 기존 리튬이온배터리에 뒤지지 않는 것으로 나타났다”고 말했다.
이번 연구에는 미국 국립 로렌스 버클리연구소(LBNL)와 국립 브루클린 연구소(BNL)의 연구진도 참여했으며 미래창조과학부와 산업통상자원부가 공동으로 지원했다. 연구 결과는 재료 분야의 권위 있는 학술지 ‘어드밴스트 머티리얼’에 게재됐다.