전고체 배터리 상용화 새 전략 제시…원자 흔들림 제어로 이온 전도도 향상

고체전해질 리튬이온 원자가 어떻게 흔들리고 움직이는지를 정밀하게 추적하고 제어함으로써 전고체 배터리 상용화를 앞당길 수 있는 새로운 전략이 제시됐다.

한국연구재단은 강용묵 고려대 교수 연구팀이 불규칙한 격자 진동인 비조화 포논(비선형적 격자 진동) 산란 제어를 통해 고체전해질 이온 전도도를 향상함으로써 전고체 배터리 성능을 높이는 연구 전략을 제시했다고 23일 밝혔다.

전고체 배터리 개발에서 리튬이온의 통로 역할을 하는 고체전해질 이온 전도도 향상은 배터리 성능을 좌우하는 중요한 요소다. 고체전해질 소재는 원자 배열이 무질서한 구조를 가질수록 높은 이온 전도도를 보이는 것으로 알려져 있다.

다만 기존 결정 구조 중심 분석으로는 이러한 무질서 구조가 실제 이온 이동에 어떤 영향을 주는지 밝히는 데 한계가 있었다.

연구팀은 고체전해질 이온 전도도가 원자 구조나 배열 변화만으로 설명되지 않는다는 점에 주목, 리튬이온 원자 이동과 진동과 같은 동적인 특성에 초점을 맞췄다.

구조적 무질서와 비결정성이 이온 전도도 향상으로 이어지는 현상을 규명하기 위해 분광학적 분석과 머신러닝 기반 포논 해석 기법을 활용, 원자 진동 변화를 정밀하게 추적했다.

그 결과 산화물계 고체전해질에 첨가되는 탄탈럼(Ta) 도핑이 고체 격자 내 무질서를 증가시키고 결합을 느슨하게 만들어 규칙적인 진동에서 벗어난 비조화 포논을 활성화한다는 사실을 확인했다.

이 같은 동적 변화는 리튬 이온이 개별적으로 이동하는 방식에서 벗어나, 여러 이온이 동시에 협력적으로 움직이는 집단적 이동을 촉진한다는 점을 실험적으로 입증했다.

연구팀은 전고체 배터리 이온 전도도가 궁극적으로 액체 전해질 기반 리튬 이온 전지 수준으로 크게 향상될 수 있는 메커니즘을 밝힌 것으로, 고체전해질에 이 설계 원리를 적용해 전고체 배터리 성능 혁신적인 개선이 가능함을 의미한다고 설명했다.

강용묵 교수는 “앞으로 첨단 분석법 개발이 진행된다면 차세대 배터리 소재 개발을 위한 토대를 마련할 것으로 기대된다”라고 말했다.

이번 연구성과는 화학 분야 국제학술지 '미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)'에 지난 6일 게재됐다.

이인희 기자 leeih@etnews.com