국내 연구진이 차세대 배터리 시스템에 적용 가능한 새로운 설계 전략을 개발했다. 높은 안정성과 에너지 밀도를 가진 차세대 배터리 상용화에 기여할 것으로 전망된다.
한국세라믹기술원(원장 정연길)은 최정현 에너지저장소재연구센터 선임연구원과 조성범 아주대 교수팀이 차세대 고체배터리시스템의 핵심인 고체 전해질 소재의 다성분계 도핑을 이용한 새로운 조성 설계 전략을 개발했다고 19일 밝혔다. 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 이공분야 우수신진연구사업과 브릿지융합기술개발사업 지원을 받았다.
전기차 보급·확산으로 높은 안정성과 에너지 밀도를 가진 배터리시스템의 필요성이 높다. 기존 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용해 부피가 크고 충격에 화재도 발생할 수 있다. 이를 개선한 작고 가볍고 높은 저장 용량을 가진 새로운 시스템 개발이 필요하다.
산화물계 기반 전고체 배터리는 고체 전해질을 사용해 안정성과 에너지 밀도를 대폭 높인 차세대 배터리다. 하지만 산화물계 고체 전해질은 합성 온도가 1000℃ 이상이어서 제작에 많은 비용이 수반되며, 수율 저하의 원인이 되기도 한다. 또한, 고체 전해질의 경우 배터리가 실제 작동하는 온도인 상온에서 불안정한 소재 결정 구조를 나타내 상용화에 걸림돌로 작용해 왔다.
공동 연구팀은 인공지능(AI) 모델링을 비롯한 컴퓨터 시뮬레이션으로 신규 조성을 설계했다. 고체 전해질 배터리 소재 개발을 위해 주기율표 상의 다양한 원소 간 신규 조합을 설계하고, 실험으로 저온 합성 및 상 안정화를 실증했다. 선정 후보 물질군 실험을 통해 기존 물질 대비 400℃ 낮은 온도에서 합성이 가능하다는 것을 확인했다.
최정현 연구원은 “한국세라믹기술원 산화물계 고체전해질 합성 기술과 아주대의 조성 설계 기술을 결합해 시너지를 거뒀다. 연구결과를 바탕으로 IT 디바이스, 중대형 에너지 저장 시스템 등에 적용 가능한 기술을 지속적으로 개발해 나갈 계획”이라고 말했다.
조성범 아주대 교수는 “저온 공정이 가능해 배터리 생산 과정에서 에너지 소모를 줄이고 안정성과 가격 경쟁력을 높일 수 있을 것”이라며 “전고체 배터리 상용화를 앞당겨 환경친화 에너지 저장 솔루션 개발에 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 화학공학 분야 학술지 화학공학저널(Chemical Engineering Journal) 9월호에 게재됐다.
진주=임동식기자 dslim@etnews.com