ETRI, 신개념 하이브리드 전해질 개발

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 국내 연구진이 이차전지를 더욱 안전하게 만들 수 있는 새로운 하이브리드 전해질① 소재를 개발했다. 특히, 연구진은 새로운 개념을 적용한 전해질 설계에 성공하면서 향후 차세대 이차전지용 전해질 연구를 더욱 활발하게 만드는 데 도움을 줄 전망이다.

   ① 유기 및 무기 전해질 소재가 복합화된 전해질

 한국전자통신연구원(ETRI)은 지난 17일, 유기-무기 전해질 간 계면 이온저항층②을 제거하여 이온전도도와 충·방전 성능을 향상한 하이브리드 전해질을 개발했다고 밝혔다. 본 성과는‘에너지 스토리지 머티리얼즈③’최신 호에 온라인으로 게재되면서 우수성을 입증받았다.

   ② 이온전도도가 낮아 이온의 이동을 저해하는 물질

   ③ Energy Storage Materials IF: 16.28, 분야별 JCR: 94.042

 기존 이차전지는 불에 잘 타는 액체 전해질④을 사용해 폭발 위험성이 높았다. 특히, 휴대폰, 웨어러블 장치나 전기자동차 등에 이차전지 활용이 많아지면서 안전성을 높이기 위한 소재 관련 연구가 활발해지고 있다.

   ④ 2~3종류의 카보네이트 화합물의 조합으로 이루어진 가연성 유기 액체 전해질

 전해질을 액체에서 고체로 바꾸면⑤ 온도 변화나 외부 충격에 의한 위험성을 낮추면서도 디자인도 자유롭게 구현할 수 있다. 하지만 소재에 따라 계면 저항이 높거나 공정이 어려운 등 여전히 한계가 있었다.

   ⑤ 전고체 이차전지. All solid state battery. 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 전지

 이에 ETRI는 유기물, 무기물 소재를 섞어 안전하면서도 높은 전도도를 지니는 하이브리드 전해질을 개발했다. 개별 소재만으로 만들었을 때 나타나는 단점을 극복하면서도 우수한 전지 성능을 확보한 것이다.

 우선 ETRI는 실험을 통해 제조 공정에서 무기 고체 전해질 소재 표면에 자연적으로 형성되는‘이온 저항층’이 전도 성능을 낮추는 원인임을 밝혔다. 하지만 일반적으로 무기 고체 전해질 소재는 특성상 형태가 분말 모양이어서 손상 없이 표면에 있는 이온 저항층만 제거하는 데 기술적으로 어려움이 있었다. 

 이에 연구진은 반도체 공정에 활용되는‘건식 식각법⑥’을 활용했다. 본 공정은 일반적인 이방성⑦ 식각 공정과 달리 등방성⑧ 건식 식각법을 이용하여 고체 전해질 측면이나 하단 부분까지 이온 저항층을 빠르게 제거할 수 있다. 

   ⑥ Dry Etching. 반응성 기체, 이온 등을 이용해 특정 부위를 제거하는 방법

   ⑦ Anisotropy. 대상의 성질과 분포가 방향에 의존하는 것.

   ⑧ Isotropy. 대상의 성질과 분포가 방향에 의존하지 않는 것.

 실제로 연구진은 이온 저항층이 제거된 계면을 가지는 고체 전해질 입자를 기반으로 하이브리드 전해질을 제조하여 이온전도도가 기존 전해질에 비해 2배 향상된 성능⑨을 보이고 이를 기반으로 제조된 전지의 효율 특성 또한 3배 증가⑩됨을 확인하였다. 

   ⑨ 기존 전해질 : 2.1×10-4 S/cm, 개발된 전해질 : 4.05×10-4 S/cm

   ⑩ 기존 전해질 기반 전지 : 26mAh/g, 개발된 전해질 기반 전지 : 79mAh/g ((4C 충방전 속도 기준, 1C = 170 mA/g)

 연구진은 실험을 통해 자칫 놓치기 쉬운 이온 저항층을 집중 관찰해 원인을 밝히고 이를 효과적으로 제거할 수 있는 공정을 적용하면서 본 성과를 낼 수 있었다고 밝혔다. 

 연구진이 고안한 방식은 제조 공정도 간단하고 기존 이차전지 설비를 그대로 활용할 수 있어 대량 생산에 유리하다는 장점도 있다. 무엇보다 단일 전해질 소재 위주로 개발이 이뤄진 기존 개념의 한계를 극복하면서 하이브리드 전해질 연구의 새로운 장을 열었다는 평가를 받는다.

 본 연구를 주도한 신동옥 ETRI 지능형센서연구실 박사는“새로운 개념으로 전해질을 설계하면서 보다 폭넓은 이차전지 연구가 가능해졌다. 앞으로 더욱 다양한 유무기 하이브리드 전해질 연구를 통해 안전하면서도 높은 성능을 지닌 이차전지를 개발하겠다.”고 밝혔다.

 이번 연구가 전해질 내 계면에 초점을 맞췄다면 향후 연구진은 충방전 효율을 높이기 위해 전극과 전해질 사이에 있는 계면을 제어하는 연구와 전해질 두께의 최적화를 통해 에너지 밀도를 높이는 등 전지 설계 관점에서 후속 연구를 진행할 계획이다.

 본 연구는 ETRI 주관으로 KAIST 김상욱 교수팀과 공동 연구로 진행되었다. ETRI 신동옥 박사와 이명주 UST 박사과정생이 공동 1저자로 참여했으며 과학기술정보통신부 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 수행되었다. 

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