- 세계적 학술지 네이쳐 커뮤니케이션 (Nature Communications) 논문 게재


▲ (왼쪽부터) 서울대 재료공학부 강기석 교수, 삼성전자 종합기술원 임동민 마스터, 김주식 전문연구원, 김세원 전문연구원

 
서울대학교 공대(학장 이병호)는 재료공학부 강기석 교수 연구실, 삼성전자 종합기술원, 미국 코닝사가 공동 논문 발표를 통해 차세대 배터리로 주목받고 있는 산화물 고체전해질 기반 전고체전지의 상용화를 앞당길 기술을 개발하였다고 밝혔다.
 
전고체전지는 배터리의 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 대체한 전지로, 안전성을 높인 것이 특징이다. 특히, 음극으로 리튬 금속을 사용할 수 있게 함으로써 현재 사용중인 리튬 이온 전지와 비교해 대용량 배터리 구현이 가능하다. 그 중, 미국 코닝 사의 가넷 구조 기반의 산화물 고체전해질은 유망한 전해질 소재로 주목받고 있다.
 
그러나 전지 작동과정 중 고체전해질 입계면을 통한 리튬 덴드라이트의 성장은 전고체전지의 수명과 안전성을 낮춤으로써 상용화의 가장 큰 난제로 지적되어 왔다. 이를 해결하기 위한 다양한 선행 연구들이 학계에서 발표되었으나 아직 상용화 가능한 수준의 전지 성능을 보고한 결과는 없었다. 
 
이에 연구진은 열역학 계산과 실험을 병행하여 산화물 고체전해질 내부로의 리튬 덴드라이트 성장 원인이 전해질 조성에 기인한 리튬금속과의 반응임을 밝혀내고, 전해질의 리튬 일부를 수소로 치환할 경우 리튬 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있음을 발견하였다. 특히, 수소 치환을 위해 도입된 강산 수용액 기반의 표면 처리 기술은, 전해질 제조 과정에서 형성될 수 있는 전해질 표면의 불순물 제거와 함께 전해질의 기계적 강도 향상에도 효과적임을 밝혀내었다. 이러한 발견을 바탕으로 상용화 기준에 부합하는 산화물 고체전해질 기반 전고체전지를 구현하였다. 이들이 구현한 전고체전지는 일반 충전 조건에서 1000 회 이상 안정적으로 구동하였으며, 높은 에너지 밀도를 기록하였다.
 
서울대 강기석 교수는 본 연구에 대해 “차세대 전지로 각광받는 산화물 고체전해질 기반 전고체전지의 단락 원인을 규명하고 이를 획기적으로 해결했다는 점이 상용화의 발판을 놓아줄 수 있을 것”이라고 밝혔다.
 
또한, 삼성전자 종합기술원 김주식 전문연구원은 “본 연구의 산화물 고체전해질 기반 전고체전지는 외부 가압 없이도 장기간 구동이 가능하여, 전기차 (EV)용 전지뿐 아니라 차세대 스마트폰 등의 다양한 모바일 기기용 전지로도 활용이 가능하다”라고 설명했다.
 
이번 연구 결과는 서울대학교와 삼성전자 종합기술원의 공동연구를 통해 산화물 고체전해질 기반 전고체전지의 단락 원인에 대해 밝혀내었고, 상용화 수준의 전고체전지 구현 가능성을 확인했다는 점에서 큰 의미를 가지며, 세계적으로도 주목받아 자연 과학 분야에서 권위있는 학술지인 ‘네이쳐 커뮤니케이션 (Nature Communications)’에 4월 6일자로 온라인 게재되었다.
 
이 연구는 서울대 강기석 교수와 삼성전자 종합기술원 임동민 마스터, 김주식 전문연구원, 김세원 전문연구원이 주도적으로 진행하였다.
 

[참고자료]

▲ 가넷 타입 산화물 고체전해질 기반 전고체전지 전지 성능 비교
(좌측) 면적당 가용 전지 용량 (우측) 전지 작동 전류 밀도 및 누적 리튬 활용 양

 
[문의사항]
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