서울대학교 공대(학장 이병호)는 강기석 재료공학부 교수 연구실, 삼성전자 종합기술원, 미국 코닝사와 공동 논문 발표를 통해 차세대 배터리로 주목받는 산화물 고체전해질 기반 전고체전지의 상용화를 앞당길 기술을 개발했다.

전고체전지는 배터리의 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 대체한 전지로, 안전성을 높인 것이 특징이다. 특히 음극으로 리튬 금속을 사용할 수 있게 함으로써 현재 사용 중인 리튬 이온 전지와 비교해 대용량 배터리를 구현할 수 있다. 그중 미국 코닝 사의 가넷 구조 기반의 산화물 고체전해질은 유망한 전해질 소재로 주목받고 있다.

그러나 전지 작동 과정 중 고체전해질 입계면을 통한 리튬 덴드라이트의 성장은 전고체전지의 수명과 안전성을 낮춤으로써 상용화의 가장 큰 난제로 지적돼 왔다. 이를 해결하기 위한 다양한 선행 연구들이 학계에서 발표됐으나 아직 상용화 가능한 수준의 전지 성능을 보고한 결과는 없었다.

이에 연구진은 열역학 계산과 실험을 병행해 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 있다는 점을 발견했다. 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 효과적이다는 점을 밝혀냈다. 이런 발견을 바탕으로 상용화 기준에 부합하는 산화물 고체전해질 기반 전고체전지를 구현했다. 이들이 구현한 전고체전지는 일반 충전 조건에서 1000회 이상 안정적으로 구동했으며, 높은 에너지 밀도를 기록했다.

강기석 서울대 교수는 이번 연구에 대해 “차세대 전지로 각광받는 산화물 고체전해질 기반 전고체전지의 단락 원인을 규명하고, 이를 획기적으로 해결했다는 점이 상용화의 발판을 놓을 수 있을 것”이라고 말했다.

또한 김주식 삼성전자 종합기술원 전문연구원은 “이번 연구의 산화물 고체전해질 기반 전고체전지는 외부 가압 없이도 장기간 구동할 수 있어 전기차(EV)용 전지뿐만 아니라 차세대 스마트폰 등의 다양한 모바일 기기용 전지로도 활용할 수 있다”고 설명했다.

이번 연구 결과는 서울대학교와 삼성전자 종합기술원의 공동 연구를 통해 산화물 고체전해질 기반 전고체전지의 단락 원인에 대해 밝혀냈다. 상용화 수준의 전고체전지 구현 가능성을 확인했다는 점에서 큰 의미를 가지며, 세계적으로도 주목받아 자연 과학 분야에서 권위 있는 학술지인 ‘네이쳐 커뮤니케이션(Nature Communications)’에 4월 6일 자로 온라인 게재됐다.