우리 대학 에너지시스템공학부 문장혁 교수와 박성수 석사과정생 연구팀이 대기에 노출돼도 안정적인 상태를 유지하는 차세대 고체전해질 기술을 개발했다. 

에너지 저장 장치인 리튬 이온 전지는 전자제품과 전기 자동차에 널리 사용되고 있다. 문제는 탄소 기반 음극의 낮은 이론적 용량(372mAh g-1)이다. 이 문제를 해결하기 위해 탄소가 아닌 리튬 금속을 음극으로 활용한 연구가 활발히 진행돼왔다. 리튬 금속 전지는 탄소 기반 음극보다 높은 이론적 용량(3,860mAh/g)을 가지기 때문이다. 

물론 리튬 금속 전지도 문제점은 있다. 리튬 수지상 성장으로 인한 화재·폭발 위험 등 안정성 문제가 존재한다. 수지상 성장은 금속이 나뭇가지처럼 뾰족한 모양으로 자라면서 전지의 안정성을 크게 저하하는 현상을 가리킨다. 

최근 들어 리튬의 수지상 성장을 막기 위한 대안으로 높은 열적 안정성과 이온 전도도를 지닌 Li7La3Zr2O12(이하 LLZO) 고체 전해질이 주목받고 있다. 다만, LLZO 전해질은 대기 중 수분·이산화탄소에 노출될 시 표면에 탄산리튬이 형성돼 리튬 이온의 이동을 방해하고, LLZO 고체 전해질의 이온 전도도를 낮춘다는 단점을 갖고 있다. 

문장혁 교수 연구팀은 순수 LLZO 전해질에 갈륨과 탄탈럼을 첨가해 이종 원소 도핑을 실시함으로써 LLZO 전해질의 대기 안정성을 향상시키는 방식으로 문제를 해결했다.

특히, 갈륨의 첨가를 통해 형성되는 제3의 물질 ‘LiGaO2’는 열처리 시 입자의 성장을 촉진시켜 탄산리튬의 성장을 막고 공기 중의 수분과 이산화탄소의 표면 흡착을 억제해 LLZO 고체 전해질의 리튬 이온 전도 특성을 유지할 수 있게 만든다는 점을 제일원리계산을 통해 확인했다. 

이번 연구성과는 ‘향상된 공기 안정성을 위한 Li7La3Zr2O12 고체 전해질의 입자 경계 구조 및 화학 조정(Tailoring grain boundary structures and chemistry of Li7La3Zr2O12 solid electrolytes for enhanced air stability)’ 논문을 통해 보다 자세히 확인할 수 있다. 해당 논문은 지난해 피인용 지수(Impact Factor) 20.831을 기록한 에너지 분야의 세계적 학술지 ‘Energy storage materials’에 게재됐다. 

문장혁 교수는 “이번 연구는 안정적인 고용량 리튬금속 전지 기술을 제시하는 계기가 될 것”이라며, “최근 안정성 이슈가 있는 전기자동차용 배터리 기술 개발에 활용될 것으로 기대되는 성과”라고 말했다.