ETRI, 고체전해질 제조기술 개발 성공

한국전자통신연구원(ETRI)가 세라믹종류의 산화물계(LLZO) 고체 전해질을 개발했다고 7일 밝혔다. 

연구책임자인 전력제어연구실의 이영기 박사와 서울대학교 강기석 교수 등 공동연구팀은 이번 성과로 향후 안전성이 요구되는 전기자동차 배터리나 발전소, 군사용 대용량 에너지 저장시스템, 인체와 직접 맞닿는 웨어러블 기기의 배터리에 효과적으로 쓰일 전망이라고 밝혔다. 

ETRI 연구진은 리튬이온의 이동속도를 향상시켜 이온전도도를 높임과 동시에 이에 필요한 고온 열처리 시간과 공정비용을 대폭 감소시켜 시너지 효과를 내는 ‘다중원소 도핑 기술’을 적용했다.

연구진은 원래 원소인 LLZO(리튬, 란타늄, 지르코늄, 산소)에 이종의 물질(알루미늄, 탄탈륨)을 소량 첨가, 성질을 급변하게 만들었다. LLZO 결정구조 내에서 금속원소들의 도핑 위치를 제어해 이온 전도도를 향상시킬 수 있는 새로운 원리를 규명한 것이다.
 
연구진은 상호 시너지를 유발하는 두 종류의 원소를 LLZO에 도핑했다. 이후 고온 열처리 시간을 기존의 1/12 수준인 2시간까지 대폭 줄였다. 이로써 도핑되지 않은 경우에 비해 3배 이상의 높은 이온 전도도를 확보하는데 성공했다. 

또 연구진은 다중도핑 방식을 통해 그동안 밝히지 못했던 결정구조 내에서 도핑된 원소들의 위치분포를 분석, 성능향상의 근본원리를 규명하고 메커니즘을 학문적으로 밝힌 게 큰 성과라고 설명했다.

그간 리튬이차전지는 높은 에너지 밀도와 고수명의 우수한 성능으로 휴대폰, 노트북 등 휴대용 전원은 물론 전기자동차, 에너지 저장장치 등의 중대형 전원으로도 활용이 확장되고 있다.

현재 기존 리튬이차전지에서 사용하는 액체 전해질을 고체로 대체, 외부 충격에 의한 파손 시 누액이나 폭발의 위험성이 없고, 고온이나 고전압 상황에서도 높은 에너지 밀도를 유지하는 차세대 전지 개발이 활발히 진행되고 있다.

핵심소재인 고체 전해질 개발이 관건인데 황화물(Sulfide)계 소재는 전지의 충·방전 효율을 좌우하는 이온 전도도가 액체 전해질에 근접할 만큼 높지만 수분과 산소에 취약, 실제 생산에 적용하는데 있어 어려움이 컸다. 

반면 산화물(Oxide)계 고체전해질은 안정성은 우수하지만 낮은 이온 전도도와 고온 열처리 공정 시간이 길다는 점이 문제점으로 제기됐다.

향후 연구진은 고체 전해질을 기반으로 직접 작동하는 리튬이온 전지를 만들고 대량생산에 주력할 계획이다. 상용화는 약 5년 후로 보고 있으며 액체 전해질 대비 성능을 높이는 것도 추진할 과제다.

현재 연구진은 두께 3mm, 지름 16mm 크기의 고체 전해질을 만들었다. 이는 향후 리튬 이차전지내 분리막 및 액체전해질 역할로 더 이상 액체전해질 주입공정이 사라질 전망이다.  
 
ETRI 이영기 박사 연구팀은 지난 4년간 리튬 이차전지용 고체전해질 관련 연구 개발을 수행해 왔으며, 지금까지 선행과제 포함 약 30여건의 국내·외 특허확보는 물론, SCI급 논문 30여편과 이차전지 관련 업체에 3건의 기술이전을 진행했다.