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- 고성능/고안전성 전고체전지 개발 기대돼…『에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)』 게재
디지스트(총장 국양)는 이종원 디지스트 교수(에너지공학과)팀이 문장혁 중앙대 교수(에너지시스템공학부)팀과 함께 대기 안정성이 향상된 산화물 고체전해질 기술을 개발했다고 지난 7일(수) 밝혔다.
리튬이온전지는 전자제품 및 전기자동차의 에너지 저장 시스템으로 널리 사용되고 있다. 그러나, 가연성 유기계 액체 전해질을 기반으로 제작돼 발화에 취약하기 때문에 최근 안전성 문제가 계속해서 제기되고 있다.
반면, 산화물계 고체전해질은 높은 열적 안정성을 가지고 물리적으로 리튬 수지상(樹枝狀)의 성장을 막을 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그중 Li7La3Zr2O12(이하 LLZO) 전해질은 뛰어난 리튬 이온 전도도를 가지고 있어 차세대 전해질로 주목받고 있다.
이러한 장점에도 불구하고 LLZO 전해질은 대기 노출 시 수분 및 이산화탄소와의 반응에 의해 표면에 탄산 리튬이 형성되는 문제가 있다. 탄산 리튬은 표면에서 형성된 후 결정립계를 따라 성장함으로써 고체전해질 내부까지 침투하며, 리튬 이온 이동을 방해해 LLZO 고체전해질의 리튬 이온 전도도를 낮춘다.
이에 본 연구팀은 갈륨 및 탄탈럼의 이종 원소 도핑, 즉 순수 LLZO 전해질에 갈륨 및 탄탈럼을 첨가시킴으로써 LLZO 전해질의 대기 안정성을 향상시켰다.
특히, 갈륨의 도입을 통해 형성되는 제3의 물질인 ‘LiGaO2’는 수분 및 이산화탄소 표면 흡착을 억제하며, 열처리 시 입자의 성장을 촉진시켜 결정립계를 통한 탄산 리튬 성장을 막아 LLZO 전해질의 리튬 이온 전도 특성이 유지됨을 확인했다.
그 결과, 대기중에 장기간 보관 시에도 리튬 이온 전도도가 유지되고, 리튬의 반복적인 전‧탈착에도 안정적인 성능이 유지됨을 실험적으로 검증했다.
이종원 교수는 “본 연구팀에서 제시한 고체전해질 디자인 개념을 이용해 대기에서 안정하고 높은 리튬 이온 전도도를 갖는 고체전해질이 도입된 고성능/고안전성 전고체전지의 개발에 도움이 될 것으로 기대하고 있다”라고 밝혔다.
한편, 본 연구성과는 정우영 씨(디지스트 석·박사통합과정생)가 제1저자로 참여했으며, 에너지 분야 국제 전문학술지 『에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)』에 지난달 2일자로 온라인 게재됐다. 아울러 한국연구재단의 ‘나노 및 소재 기술 개발사업’ 및 ‘선도연구센터사업’의 지원을 받아 수행됐다.
최승우 기자 kantmania@kyosu.net
