숭실대, 고성능 고체전해질 개발…이온전도성 효과적으로 높여

양극, 음극 계면 안정성까지 개선해

▲왼쪽부터 숭실대 박경원 교수, 민경민 교수, 박사과정 김지환 연구원 (숭실대 제공)

숭실대가 화학공학과 박경원 교수와 김지환 연구원, 기계공학부 민경민 교수가 상온과 고온에서 높은 전기화학적 성능을 보이는 전고체 전지용 고체전해질을 개발했다고 8일 밝혔다.

전고체 전지는 차세대 리튬이온 전지다. 화재와 폭발의 위험이 있는 유기 액체전해질이 아닌 안전성이 뛰어난 고체전해질을 사용한다. 에너지 밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있다는 장점이 있지만, 액체전해질보다 낮은 이온전도도를 보이고 고체상태 전극과의 계면에서 낮은 안정성을 보인다는 단점이 있다.

숭실대 공동연구팀은 농도구배 이중층 구조의 복합 고체전해질을 개발했다. 높은 이온전도도를 유지하면서 고전압 양극과 리튬금속 음극에 대한 계면 안정성을 모두 개선한 것이다. 연구팀이 개발한 복합 고체전해질은 서로 다른 특성을 가진 두 개의 복합 고체전해질 층으로 구성됐다. 두 개의 층은 PVDF-HFP 고분자 기반을 사용하며 각각 Li-Al-La-Zr-O(LALZO)와 Li-Ta-P-O(LTPO) 산화물계 고체전해질이 최적화된 비율로 첨가됐다.

연구진은 높은 밀도의 농도구배 이중층 구조를 만들었다. 이러한 구조는 리튬이온 이동 통로를 만들어 두 고체전해질 간의 계면에서 발생하는 급격한 저항을 완화할 수 있다.

서로 다른 물리적·화학적·기계적·전기화학적 특성들을 가진 두 복합 고체전해질 층은 각각 고전압 양극과 리튬금속 음극에 대해 우수한 특성을 보였다. 연구진이 개발한 이중층 복합 고체전해질 멤브레인은 55℃ 고온에서 최대 5.1V까지 안정을 유지했다. 1 mA cm-2의 전류 밀도에서도 리튬 덴드라이트(결정체)를 효과적으로 억제했다.

박경원 교수는 “고체전해질로써 이온전도도뿐만 아니라 전고체 전지 작동시 요구되는 양극, 음극에 대한 계면 특성들까지 모두 개선했다”고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구지원사업의 지원을 받았다. 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈’(Energy Storage Materials)에 게재됐다.