생산기술연구원, 고성능 고안전성 전고체 배터리 핵심 소재 개발

- 황화물계 고체전해질 소재에 세 가지 원소 조합

- 국내 소부장 기업에 기술 이전, 전고체 배터리 상용화 계획

김태효 수석연구원(사진 우측)과 배진영 연구원이 개발된 전고체 전지 셀을 들어 보이고 있다. (자료제공: 생산기술연구원)

개발된 전해질을 적용한 전고체 가압셀. (자료제공: 생산기술연구원)

한국생산기술연구원(원장 이상목)은 김태효 저탄소에너지그룹 수석연구원팀이 황화물계 고체전해질 소재에 세 가지 원소를 조합해 리튬이온 이동성을 높이고, 공기 중 수분 노출 시 발생하는 유독성 황화수소 감소에 성공했다고 4월 15일 밝혔다.

고체전해질은 전고체 배터리 내 양극과 음극 사이로 리튬이온이 이동하는 통로 역할을 한다. 이 중 이온전도도가 높은 황화물계가 유력한 후보 소재다.

연구팀은 황화물계 고체전해질 중 육리튬 인 오황화 아이오다이드(Li₆PS₅I)에 주목했다. Li₆PS₅I는 제조 원가가 낮고, 리튬 금속과 맞닿았을 때 아이오딘화 리튬(LiI) 나노 보호층을 형성해 셀 안정성을 높인다. 단, 상대적으로 이온전도도가 낮고 습기에 약해 공기 중 수분에 노출될 경우 유독성 황화수소가 발생한다.

연구팀은 Li₆PS₅I에 염소·안티몬·산소를 함께 넣는 방식으로 문제를 해결했다. 염소는 소재 내 원자 배열을 바꿔 리튬이온 이동을 더 쉽게 하고, 안티몬·산소는 수분에 더 강한 결합 구조를 만든다.

개발 소재 이온전도도는 기존 대비 약 77배 높아졌고, 상대습도 30% 환경에서 황화수소 발생량도 40% 줄었다. 상대습도 50% 환경에서는 24시간 노출 시 기존 소재가 진흙처럼 변한 반면, 개발 소재는 고체 상태를 유지했다.

또한 배터리 내부 합선 직전까지 버티는 한계 전류 값이 기존 대비 86% 높아졌으며, 리튬 금속과 맞닿은 상태에서 2000시간 이상 안정적으로 작동했다. 충·방전 100회 반복 내구성 시험에서도 안정적으로 작동했다.

김태효 수석연구원은 “황화물계 고체전해질에서 성능과 안정성을 함께 높일 수 있는 소재 개발 가능성을 확인한 성과”라며 “국내 소재·부품·장비 기업에 기술 이전을 통해 전고체 배터리 상용화를 앞당길 계획”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 화학공학 국제학술지 ‘케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 최근 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]