ETRI, 폭발 위험성 낮은 하이브리드 전해질 개발

이온 저항층 제거해 이온전도도 2배, 충ㆍ방전 성능 3배 향상

▲고체 전해질 입자 표면 이온 저항층을 제거하는 건식 식각 공정 설명 이미지(왼쪽)와 실제 식각 전후 고체전해질 전자현미경 이미지. (사진제공=한국전자통신연구원)

국내 연구진이 이차전지를 더욱 안전하게 만들 수 있는 새로운 하이브리드 전해질 소재를 개발했다. 새로운 개념을 적용한 전해질 설계에 성공하면서 향후 차세대 이차전지용 전해질 연구를 더욱 활발하게 만드는 데 도움을 줄 전망이다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 17일 유기-무기 전해질 간 계면 이온저항층을 제거해 이온전도도와 충ㆍ방전 성능을 향상한 하이브리드 전해질을 개발했다고 밝혔다.

기존 이차전지는 불에 잘 타는 액체 전해질을 사용해 폭발 위험성이 높았다. 특히, 휴대폰, 웨어러블 장치나 전기자동차 등에 이차전지 활용이 많아지면서 안전성을 높이기 위한 소재 관련 연구가 활발해지고 있다. 전해질을 액체에서 고체로 바꾸면 온도 변화나 외부 충격에 의한 위험성을 낮추면서도 디자인도 자유롭게 구현할 수 있다. 하지만 소재에 따라 계면 저항이 높거나 공정이 어려운 등 여전히 한계가 있었다.

ETRI는 유기물, 무기물 소재를 섞어 안전하면서도 높은 전도도를 지니는 하이브리드 전해질을 개발했다. 개별 소재만으로 만들었을 때 나타나는 단점을 극복하면서도 우수한 전지 성능을 확보한 것이다.

우선 ETRI는 실험을 통해 제조 공정에서 무기 고체 전해질 소재 표면에 자연적으로 형성되는 ‘이온 저항층’이 전도 성능을 낮추는 원인임을 밝혔다. 하지만 일반적으로 무기 고체 전해질 소재는 특성상 형태가 분말 모양이어서 손상 없이 표면에 있는 이온 저항층만 제거하는 데 기술적으로 어려움이 있었다.

이에 연구진은 반도체 공정에 활용되는‘건식 식각법’을 활용했다. 이 공정은 일반적인 이방성 식각 공정과 달리 등방성 건식 식각법을 이용해 고체 전해질 측면이나 하단 부분까지 이온 저항층을 빠르게 제거할 수 있다. 연구진은 이온 저항층이 제거된 계면을 가지는 고체 전해질 입자를 기반으로 하이브리드 전해질을 제조해 이온전도도가 기존 전해질보다 2배 향상된 성능을 보이고 이를 기반으로 제조된 전지의 효율 특성 또한 3배 증가함을 확인했다.

연구진이 고안한 방식은 제조 공정도 간단하고 기존 이차전지 설비를 그대로 활용할 수 있어 대량 생산에 유리하다는 장점도 있다. 무엇보다 단일 전해질 소재 위주로 개발이 이뤄진 기존 개념의 한계를 극복하면서 하이브리드 전해질 연구의 새로운 장을 열었다는 평가를 받는다.

이번 연구가 전해질 내 계면에 초점을 맞췄다면 향후 연구진은 충ㆍ방전 효율을 높이기 위해 전극과 전해질 사이에 있는 계면을 제어하는 연구와 전해질 두께의 최적화를 통해 에너지 밀도를 높이는 등 전지 설계 관점에서 후속 연구를 진행할 계획이다.