세라믹기술원·아주대, 차세대 배터리용 新 설계 전략 개발

다성분계 도핑을 통한 상안정화 전략 개요도 및 리튬 확산 성능 향상의 확인. (자료제공: KICET)

한국세라믹기술원(원장 정연길)은 최정현 박사와 아주대학교(총장 최기주) 조성범 교수 공동연구팀이 차세대 고체 배터리 시스템의 핵심인 고체 전해질 소재의 다성분계 도핑을 통한 새로운 조성 설계 전략을 개발했다고 지난달 18일 밝혔다.
에너지 저장 장치로서의 배터리는 우리의 일상생활에 필수적인 요소로 자리 잡았다. 특히, 전기 자동차가 널리 보급·확산 되면서 높은 안정성과 에너지 밀도를 가진 배터리 시스템의 필요성이 높아지고 있다. 현재 사용되는 리튬이온 배터리는 액체 전해질로 인해 부피가 큰 데다 충격 시 화재가 발생할 수 있어 이를 개선한 가벼우면서도 높은 저장 용량을 가진 새로운 시스템의 개발이 필요하다.
차세대 배터리 시스템 중 산화물계 기반 전고체 배터리는 기존에 널리 쓰이고 있는 리튬이온 배터리와 달리 고체 전해질을 사용, 안정성과 에너지 밀도를 대폭 향상시킬 수 있다. 그러나 이러한 산화물계 고체 전해질은 합성 온도가 1,000℃ 이상으로 제작에 많은 비용이 수반되며, 수율 저하의 원인이 되기도 한다. 또한, 고체 전해질의 경우 배터리가 실제 작동하는 온도인 상온에서 불안정한 소재 결정 구조를 보임에 따라 상용화에 걸림돌로 작용해 왔다.
이를 극복하기 위해 학계와 산업계에서 다양한 원소의 도핑을 통해 신규 조성을 설계하는 전략이 많이 시도되고 있다. 그러나 실험을 통해 신규 조성을 설계하는 것은 도핑하는 원소의 종류가 늘어나기 때문에 매우 많은 시간이 소모되는 작업이다.
공동 연구팀은 AI와 모델링과 같은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 신규 조성을 설계했다. 해당 고체 전해질 배터리 소재의 개발을 위해 주기율표 상 다양한 원소의 신규 조합을 설계하고, 실험을 통해 저온 합성 및 상 안정화가 가능함을 실증했다. 연구팀은 선정된 후보군에 대한 실험을 통해 기존 물질 대비 400℃ 낮은 온도에서 합성이 가능함을 확인했다.
상 안정화란 본래 고온에서 제작된 소재가 상온에서 불안정해지며 소재의 결정구조가 바뀌고 뛰어난 물성이 열화될 수 있으나, 이를 방지하여 본래 고온에서 제작된 결정구조와 물성을 유지하는 현상을 말한다.
한국세라믹기술원 에너지저장소재센터 최정현 박사는 “아주대 연구진의 조성 설계 기술과 한국세라믹기술원의 산화물계 고체전해질 합성 기술이 시너지를 내 의미 있는 연구결과를 도출할 수 있었다”며 “연구결과를 바탕으로 IT 디바이스, 중대형 에너지 저장 시스템 등에 적용 가능한 기술을 지속적으로 개발해 나갈 계획”이라고 말했다.
아주대 조성범 교수는 “저온 공정이 가능해짐에 따라 배터리 생산 과정에서 에너지 소모를 줄이고 안정성과 가격 경쟁력을 높일 수 있을 것”이라며 “전고체 배터리의 상용화를 앞당겨 환경친화적인 에너지 저장 솔루션을 개발하는 데 기여할 수 있기를 기대한다”고 전했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 우수신진연구사업과 브릿지융합기술개발사업 등의 지원으로 수행됐다. 연구성과는 화학공학 분야 세계 최고 수준의 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal’ 9월호에 게재됐다.