[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내연구진이  전고체 배터리용 황화물계 고체전해질의 성능은 크게 높이면서 유독가스 배출은 대폭 감소시킬 수 있는 기술을 개발했다.

한국생산기술연구원(생기원)은 저탄소에너지그룹 김태효 수석연구원팀이 황화물계 고체전해질 소재에 3가지 원소를 조합해 리튬이온 이동성을 높이고 공기 중 수분 노출 시 발생하는 유독성 황화수소(H₂S)를 줄이는 데 성공했다고 15일 밝혔다.

고체전해질은 전고체 배터리 안에서 양극과 음극 사이로 리튬이온이 이동하는 통로 역할을 하는 소재다. 이 중 황화물계가 이온전도도가 매우 높다.

이번에 연구팀은 황화물계 고체전해질 가운데 제조원가가 낮고 리튬 금속과 맞닿았을 때 아이오딘화 리튬(LiI) 나노 보호층을 형성해 셀 안정성이 높은 육리튬 인 오황화 아이오다이드(Li₆PS₅I)에 주목했다.

단, Li₆PS₅I은 장점과 함께 황화물계 고체전해질 중 상대적으로 이온전도도가 낮고 습기에 취약해 공기 중 수분에 노출될 경우 유독성 황화수소가 발생하는 단점이 있다.

단점 해결을 위해 연구팀은 Li₆PS₅I에 역할이 다른 염소, 안티몬, 산소 등 3가지 원소를 함께 넣었다.

염소(Cl)는 소재 내부의 원자 배열을 바꿔 리튬이온 이동을 더 쉽게 하고 안티몬(Sb)과 산소(O)는 수분에 더 강한 결합 구조를 만들어 소재 분해와 황화수소 발생을 줄이는 역할을 한다.

연구팀은 이들 세 원소의 비율을 단계적으로 조절하며 다양한 조성을 비교·검증한 끝에 이온전도도와 구조 안정성의 균형이 최적인 조성을 도출했다.

실험 결과, 개발된 소재의 이온전도도는 1.158(mS/㎝)로 기존 대비 약 77배 높아졌다. 또 상대습도 30% 환경에서 황화수소 발생량도 40% 줄어 수분 저항성도 개선됐으며 더 높은 상대습도 50% 환경에서는 24시간 노출 시 기존 소재가 진흙처럼  변질된 반면 개발 소재는 고체 상태를 유지하는 것으로 나타났다.

리튬 금속과의 안정성도 개선돼 배터리 내부 합선 직전까지 버티는 한계 전류 값이 기존 대비 86% 높아졌고 리튬 금속과 맞닿은 상태에서 2000시간 이상 안정적으로 작동하는 것으로 나타났다.

이어 개발된 고체전해질을 적용한 시험에선 전고체 전지의 초기 방전용량은 158.4(mAh/g)으로 기존 Li₆PS₅I 기반 전지(134.5mAh/g)보다 18% 향상됐다. 충·방전 100회 반복 내구성 시험에서도 안정적으로 작동하는 것을 확인했다.

이번 연구 성과는 화학공학 분야 국제학술지 '케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 최근 게재됐다.

김태효 수석연구원은 "황화물계 고체전해질에서 성능과 안정성을 함께 높일 수 있는 소재 개발 가능성을 확인한 성과"라며 "국내 소재·부품·장비 기업으로의 기술이전을 통해 전고체 배터리 상용화를 앞당길 계획이다"고 말했다.


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