고려대 김동완 교수 연구팀, 기존 공정 문제 해결한 ‘습식기반 고체 전해질 합성공정’ 개발

연구진의 모습. (왼쪽부터) 교신저자 김동완, 제1저자 황석호, 제1저자 서승덕. 한국연구재단 제공

[그림] 마이크로파 습식공정의 효과. (그림 위) 공정별 리튬-아지로다이트 전구체를 합성 직후 주사전자현미경으로 분석한 이미지이다. 앞서 언급했듯이 마이크로파 습식공정을 이용한 전구체의 경우 모든 원료물질들이 반응에 참여하여 굉장히 균일한 입자 및 원소 분포를 보여준다. 반면, 저온 습식공정의 경우 불균일한 입자 및 원소 분포를 보여주고, 특히 원료물질 중 LiCl이 반응에 참여하지 못한 채로 남아있는 것을 보여준다. (그림 1 아래) 열처리 공정 후 최종 물질인 리튬-아지로다이트의 주사전자현미경으로 분석한 이미지이다. 마이크로파 습식공정의 경우 굉장히 균일한 입도 분포를 보여주는 반면 저온 습식공정의 경우 매우 불균일하고 입자크기가 큰 입자들을 나타내고 있다. 한국연구재단 제공

‘꿈의 배터리’로 불리는 전고체 전지의 상용화를 앞당길 수 있는 길이 열렸다.

한국연구재단은 고려대학교 김동완 교수 연구팀이 기존 전고체 전지의 공정 문제를 해결할 수 있는 습식기반의 고체 전해질 합성공정 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

최근 전기차 및 큰 규모의 에너지저장 시스템에 대한 수요가 증가함에 따라 안전하고 에너지 밀도가 높은 2차전지의 필요성이 높아지고 있다.

현재 가장 널리 사용되는 리튬이온 전지는 양극, 음극, 전액질, 분리막으로 구성된다. 반면, 전고체 전지는 고체 전해질이 전해질뿐 아니라, 분리막 역할까지 대신해 에너지 밀도가 높은 것이 장점이다.

그러나 차세대 전고체 전지의 핵심소재인 황화물계 리튬이온 전도체는 다량의 에너지와 시간을 필요로 하는 합성공정으로 제조되는데, 이로 인해 발생하는 생산성 감소, 순도 저하, 높은 전기전도도 등의 한계점을 해결하지 못해 상용화에 어려움을 겪었다.

[그림] 개발된 마이크로파 습식공정의 합성 개략도 및 메커니즘. 마이크로파는 유전가열 (dielectric heating)을 이용해 원료물질의 분해 및 반응을 가속화시켜 전체적인 반응속도를 빠르게 해준다. 특히, 단단한 구조를 가지고 있어 분해가 어렵다고 알려진 P4S10의 분해를 빠르게 도와준다. 이를, In-situ Raman 분석을 통해 아지로다이트 구조의 모체가 되는 단일 PS43- 구조를 반응 시작 후 약 1분 만에 형성할 수 있음을 밝혀냈다. 고려대학교 건축사회환경공학부 김동완 교수 제공

이에 연구팀은 기존 합성공정의 고질적인 문제를 해결하기 위해 높은 리튬이온 전도도, 분리막 기능, 낮은 전기전도도 등의 조건을 충족하면서도 대량 합성이 가능한 재료를 탐색해 원료 물질과 마이크로파(파장의 범위가 1mm~1m 사이인 전파)의 시너지 작용을 이용한 습식공정을 개발하는 데 성공했다.

마이크로파 합성공정을 활용하면 원료 물질과의 부반응 없이 간단한 건조 및 열처리 공정을 통해 고순도의 고체 전해질 생산이 가능하다.

연구팀은 이번 연구를 통해 마이크로파를 이용한 소량의 에너지만으로도 단시간에 고순도의 고체 전해질 합성이 가능하다는 것을 입증했을 뿐만 아니라, 기존 습식공정의 문제점들을 한 번에 해결했다.

특히, 마이크로파 합성공정은 가정용에서 소비되는 2.45 GHz(기가헤르츠)의 전자기파의 형태로 전기에너지를 직접 반응물에 조사하는데, 이 경우 에너지 변환 과정에서 발생하는 전력 손실량을 줄일 수 있어 비용 절감과 에너지 사용 효율화가 가능하다.

김동완 교수는 “현재 연구개발 단계에 있는 전고체 전지용 고체 전해질의 상용화를 앞당기는 데 이바지할 수 있을 것으로 기대되고 있다”며 이를 위해선 “산업화 규모에서도 구현될 수 있는 습식기반 황화물계 고체 전해질 공정기술에 관한 연구가 필요하다”고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 미래소재디스커버리사업 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 지난 5월 3일 게재됐다.

송현수 기자 songh@busan.com