원자력연이 세계최초로 고체전해질전지의 이온전도도 메카니즘을 규명했다고 16일 밝혔다. 사진=한국원자력연구소 제공

[데일리한국 안희민 기자] 한국원자력연구원이 고체전해질전지(전고체전지)의 이온전도도가 제각각인 이유를 밝혀냈다. 

원자력연은 김형섭 박사팀이 세계 최초로 고체전해질전지의 전해질 결정구조 변화를 제어하는 방법을 정확히 분석했다고 16일 밝혔다.

고체전해질전지는 전해질이 고체인 배터리를 말한다. 일반 배터리는 전해질이 액체이거나 겔 상태여서 화재에 취약하다. 반면 고체 전해질은 화재에 강한 대신 전기를 옮기는 리튬이온이 활발히 움직이지 못하는 단점이 있다.

지금까지 고체전해질전지에서 이온전도도가 낮은 이유가 정확하게 밝혀지지 않았으나, 이번 김 박사팀에 의해 규명된 것이다.

김 박사 연구팀은 △중성자빔으로 고체전해질 결정구조 내부의 리튬의 양을 분석하고 △X-선으로 고체전해질 표면의 연마 정도에 따른 결정구조 변화량을 측정했다.

이 과정에서 고체전해질 합성에 사용한 리튬의 양과 연마 고체전해질 표면의 연마 정도에 따라 고체전해질 표면의 결정구조 일부가 정육면체에서 직육면체로 변화하는 현상을 발견했다.

결정구조가 직윤면체로 변한 고체전해질은 이온 전도성이 낮아 리튬 이온의 원활한 이동을 방해하고, 결국 전기적 단락을 발생시키는 사실을 김 박사팀은 발견했다.

원자력연은 김 박사의 이번 연구성과가 세계 최초라고 밝혔다.

이번 연구결과에 따르면 고체전해질의 이온전도도를 일정수준 유지하려면 걸맞는 리튬 양을 유지하고 고체전해질 표면을 일정하게 연마하면 된다. 김 박사팀은 또 고체전해질 표면을 연마할 때 연마재 회전 속도를 특정 정도로 획기적으로 낮추면 결정구조가 안정적으로 제어되는 사실도 포착했다.

고체전해질전지는 최근 잦은 화재로 사회문제가 되고 있는 리튬이온전지의 대안이다. 일본 소니를 비롯해 삼성전자가 고체전해질전지를 개발했다고 발표한 바 있다.

연구팀은 이번 연구로 다양한 종류의 고체전해질을 개발할 수 있는 기반이 마련됐다고 평가했다.

고체전해질에서 이온 전도 메커니즘이 리튬 양과 고체전해질 표면 연마 정도 외에도 다양한 변수가 있지만, 두 요인을 조합한 경우의 수만큼의 고체전해질전지를 만들 수 있다.

원자력연은 이 연구에 김 박사팀과 UNIST 정성균 교수팀, 고려대 유승호 교수팀, 충북대 이동주 교수팀이 공동으로 참여했다고 밝혔다. 지난 9월 어드밴스트 에너지 머티리얼즈 인터넷 판에 관련 논문을 게재했다고 덧붙였다.

원자력연 홍석재 연구원이 고체전해질 표면 구조 분석을 위해 X선 회절장치에 샘플을 로딩하고 있다. 사진=한국원자력연구원 제공