전고체전지는 기존의 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지의 전해액과 분리막을 없애 에너지밀도가 높은 전지를 만들 수 있다. 내열성과 내구성이 뛰어나고 배터리의 폭발·화재 위험이 낮아 전기차의 안전성을 높일 수 있는 차세대 전지로 주목받고 있다.
많은 연구자가 이차전지의 폭발, 화재 문제를 해결하기 위해 세라믹 소재를 이용한 전고체전지의 상용화 연구에 몰두하고 있지만, 상온에서의 작동이 힘들다는 난제를 안고 있었다.
안 교수팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 액체 전해질을 대체하면서도 전지 성능을 월등히 높이고, 현재 사용되고 있는 양극 소재와의 적합성도 높아 화재로부터 안전한 고분자 세라믹 복합전해질을 개발했다.
고분자세라믹 복합전해질은 니오비움/알루미늄(Nb/Al) 이종금속이 도핑된 리튬·란타넘·지르코늄·산화물(Li7La3Zr2O12) 세라믹 소재를 합성한 고분자 고체전해질로 안전성이 높고 상온에서 활용할 수 있다.
아울러 연구팀은 기존 액체 전해질이 열화 메커니즘에 의해 전지의 용량을 향상하는 음극 리튬금속을 사용할 수 없던 문제점에 주목했다. 이를 해결하기 위해 상온에서 작동 가능한 고분자 세라믹 복합전해질을 제시해 리튬금속을 음극으로 사용해도 전지의 안정성과 효율성을 확보할 수 있다는 점을 증명했다.
이와 같은 연구 결과는 '고성능 전고체전지용 Nb/Al 공동 도핑 Li7La3Zr2O12 복합 고체 전해질 개발(Nb/Al co-doped Li7La3Zr2O12 Composite Solid Electrolyte for High Performance All-Solid-State Batteries)'이라는 제목으로 재료과학 분야 세계적 권위의 국제 학술지 'Advanced Functional Materials'(IF: 19.924, CHEMISTRY, MULTIDISCIPLINARY 분야 상위 5%, 2021 JCR 기준) 9월호에 게재됐다.
교신저자인 안 교수는 "비교적 값이 저렴하고 제조 공정이 유리한 산화물계 세라믹 소재를 성공적으로 합성하고, 고분자와 복합화를 이뤄 제조 용이성이 우수한 전고체 제조기술을 개발했다"며 "이를 통해 안전성이 높은 전고체전지의 상용화에 한 발 앞서 나갈 수 있게 됐다"고 말했다.
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