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KIST, 액체 전해질의 이온 전도도에 상응하는 고 이온전도성 고체 전해질 개발

작성자 : 편집부 2022-02-09 | 조회 : 1193

- 황화물계 전해질의 유독한 황화수소(H2S) 가스 발생량 70% 저감

전기 자동차 및 에너지저장시스템(ESS)의 시장이 급속도로 성장함에 따라 리튬이온전지의 수요가 폭발적으로 증가하고 있다.

기존의 리튬이온전지는 가연성의 액체 전해질을 이용하고 있어 안전성에 논란이 있으며, 최근 이로 인한 화재 및 폭발 사고가 지속해서 보고된 바 있다. 이 때문에 비 가연성의 고체 전해질을 이용한 리튬 전고체 전지가 화재 및 폭발 위험성이 없는 차세대 이차전지로 주목을 받고 있지만, 고체 전해질은 액체 전해질과 비교해 리튬의 이온 전도도가 낮다는 문제점이 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 에너지저장연구센터 류승호 박사 연구팀은 황화물계 고체 전해질의 소재 및 합성공정을 최적화해 액체 전해질의 이온 전도도에 상응하는 고이온 전도성 고체 전해질을 개발했다고 밝혔다.

액체 전해질의 이온 전도도에 상응하는 다양한 리튬 전고체 전지의 고체 전해질 후보물질들이 속속 보고되고 있는 가운데 황화물계 고체 전해질은 상대적으로 높은 이온 전도도를 보여 소재 및 합성 공정 개선을 위한 연구가 시도되고 있다. 그런데, 황화물계 고체 전해질의 경우 대기 노출시 수분과 반응하여 유독한 황화수소(H2S) 가스를 발생시키는 문제가 있어, 이를 해결하기 위한 연구 또한 함께 진행되어야 했다.

고 이온전도성 황화물계 고체 전해질 합성 과정, 이온전도 메커니즘 모식도 및 이온 전도도 평가 결과

류승호 박사팀은 고 이온전도성 황화물계 고체 전해질 중 하나인 아지로다이트(Argyrodite)1) 고체 전해질 소재 내부에 안티모니(Sb)와 게르마늄(Ge)을 도입하고 추가 리튬(Li)을 삽입하여 16.1mS/cm의 고 이온전도성 고체 전해질을 개발했다. 이는 10mS/cm급의 이온 전도도를 가지는 상용 액체 전해질에 상응하는 수준으로, 기존에 개발된 아지로다이트 황화물계 고체 전해질의 최고 수준 이온 전도도인 14.8mS/cm을 넘어선다.

연구팀은 개발된 고체 전해질을 상용 양극에 적용하여 액체 전해질을 이용한 경우와 유사한 초기 용량을 얻었으며, 추후 전지 제조 공정의 최적화를 통한 고에너지, 장수명 리튬 전고체 전지 개발에 대한 기대감을 높였다.

아지로다이트 (Argyrodite): 황화물계 화합물의 일종

또한, 기존의 황화물계 고체 전해질의 경우 대기 노출시 수분과 반응하여 유독한 황화수소 가스를 발생하는 문제가 있지만, 본 연구에서는 안티모니를 도입하여 수분과의 반응성을 줄여 황화수소 가스 발생을 70% 이상 저감하는 결과를 얻기도 했다.

Sb, Ge 기반 황화물계 고체 전해질의 수분 안정성 향상

KIST 류승호 박사는 “본 연구를 통하여 개발된 고체 전해질은 액체 전해질에 상응하는 고이온 전도도를 보이며, 기존의 황화물계 고체 전해질의 대기 안정성을 크게 개선해 폭발 위험성 없는 고안전성 리튬 전고체 전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) KIST 주요 사업 및 한국연구재단 기후변화대응 기술개발사업, 산업통상자원부(장관 문승욱) 리튬 기반 차세대 이차전지 성능 고도화 및 제조기술개발사업 및 자동차산업 핵심기술 개발사업의 지원을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 소재 분야의 국제학술지인 ‘ACS Energy Letters’(IF : 23.101, JCR 분야 상위 3.302%) 최신 호에 게재되었다.

* 논문명: Lithium Argyrodite Sulfide Electrolytes with High Ionic Conductivity and Air Stability for All-Solid-State Li-Ion Batteries

- 제1저자: 한국과학기술연구원 이용흠 학생연구원

- 교신저자: 한국과학기술연구원 류승호 선임연구원