포스텍(POSTECH)은 강병우 신소재공학과 교수·김아빈 박사(현 LG에너지솔루션)연구팀은 새로운 특성을 가진 고체 전해질을 개발해 안정성과 에너지 밀도가 높은 초박막 리튬 금속 전고체전지 플랫폼 구현에 성공했다고 3일 밝혔다.
고체 전해질을 사용해 에너지 밀도와 안전성을 높인 전고체 배터리는 '꿈의 배터리'로 불린다. 그중 가넷형 산화물 고체 전해질(LLZO)은 높은 이온 전도성을 가지지만, 반응성이 매우 커 공기 중에 노출됐을 때 물질 표면에 오염층이 형성되는 문제가 있다. 이 오염층은 전지 구성 시 저항층으로 작용해 전해질과 반응 물질, 특히 리튬(Li) 금속 음극과의 접촉 특성과 계면 특성을 떨어뜨렸다.
현재 LLZO 표면을 코팅하거나 합성 후, 추가적인 화학 또는 열처리 공정으로 이러한 문제를 해결하려는 시도가 이어지고 있지만 개선된 LLZO가 다시 대기에 노출되면 오염층이 또다시 생기는 등 문제를 완전히 해결할 수 없었다.
연구팀은 효과적인 코팅이나 추가 공정을 개발하는 것이 아니라 'LLZO' 자체에 집중했다. 본질에 집중해 LLZO 표면과 내부 특성을 동시에 개선, 오염층 형성을 원천적으로 막을 수 있는 'AH-LLZO(Air-Handleable LLZO)' 기술을 개발했다.
실험 결과, 개발된 가넷형 고체전해질은 소수성을 가진 새로운 화합물(Li-Al-O)을 표면과 내부에 동시에 만들어 오염층 형성 자체를 억제했다. 오염층이 생겨도 공기 중에서 수분과 거의 반응하지 않아 오염층이 내부로 퍼지지는 것을 효과적으로 막았다. 그로 인해 리튬 금속과의 접촉성이 향상됐다. 이를 바탕으로 머리카락 두께의 약 10분의 1에 해당하는 얇은(~3.43㎛) 초박막 리튬 전고체 배터리를 구현하는 데 성공했다.
이번 연구는 복잡한 후처리 단계 없이 전고체 전지에서 음극과 양극의 용량 비율이 약 0.176인 초박막 리튬 금속층을 간단한 젖음성 공정으로 만들었다는 의의가 있다. 이를 통해 리튬 금속이 적게 들어가는 만큼 전체 배터리 무게와 부피도 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 또 특별한 처리나 시설 없이 공기 중에서 보관할 수 있어 가넷형 고체전해질의 실제 사용 가능성 및 공정을 간소화할 수 있다는 장점이 있다.
강병우 교수는 “후처리 단계 없이 LLZO의 고질적인 오염층 문제를 해결했다. 고안전성과 고에너지 밀도를 구현할 수 있는 초박형 리튬 금속 전고체 전지 연구를 계속 이어가겠다”고 말했다.
한국연구재단 기초연구실지원사업과 산업통상자원부 기판실장용 산화물계 초소형 적층 전고체전지(MLCB)개발 사업 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 미국화학협회 에너지 분야 국제 학술지인 'ACS 에너지 레터스'에 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
