[더테크=조재호 기자] 한국과학기술연구원이 공동연구를 통해 새로운 고체 전해질을 개발했다. 현재 리튬이온전지에 쓰이지만 화재나 폭발 등에 취약한 액체 전해질의 대안으로 상용화까지 진행될 수 있을지 관심이 모인다.

한국과학기술연구원(KIST)은 에너지저장연구센터 류승호 박사와 과학계산센터 한상수 박사, Lawrence Livermore National Laboratory(이하, LLNL) Brandon Wood 박사 공동 연구팀이 새로운 고체 전해질을 개발했다고 25일 밝혔다.

이번에 개발한 고체 전해질은 계산과학을 통해 불소(F)가 치환된 고전압 안정형 염화물계 고체 전해질이다. LLNL은 미국 국가핵안전관리처 산하의 국가연구소로 우수한 슈퍼컴퓨팅 시설을 보유하고 있으며 지난 2019년부터 KIST와 이차전지 분야에서 공동연구를 수행 중이다.

공동 연구팀은 염화물계 고체 전해질 (Li3MCl6)의 고전압 안정성 높이기 위해 화학적 결합력 강한 불소(F)가 치환된 염화물계 고체 전해질(Li3MCl5F)의 최적 조성 및 설계 원리를 제시했다.

KIST에서 수립된 염화물계 고체 전해질의 안정성 향상 전략을 LLNL에서 슈퍼컴퓨터를 활용해 결과를 계산하고 이를 다시 KIST에서 실험을 통해 검증했다. 공동 연구팀은 계산과학을 활용해 성공 가능성이 높은 소재 설계 방법을 찾아 실험실에서 추가 검증하는 방식으로 시간과 비용을 절약했다.

연구팀이 제시한 설계 원리의 안정성을 평가한 결과, 상용 리튬이온전지와 유사한 4V 이상의 고전압 안정성을 보였다. 이에 따라 고전압에서 불안정한 황화물계 고체 전해질을 대체해 전고체 전지의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

연구팀은 전고체 전지의 상용화를 앞당기기 위해 소재의 합성 공정, 전극·전지 제조 공정 최적화에 필요한 후속 연구를 수행할 예정이다. 한-미 공동연구를 통해 상용화에 성공할 경우, ESS와 전기차 등 이차전지의 최대 수요국 중 하나인 미국에서 핵심 요소인 고체 전해질 시장을 선점할 수 있다.

KIST의 류승호 박사는 “이번 연구 성과는 불소가 치환된 고전압 안정형 염화물계 고체 전해질에 대한 새로운 설계 원리를 제시한 것으로 화재 위험성이 없는 고에너지 밀도 차세대 리튬전고체 전지의 상용화가 앞당겨질 것”이라고 말했다.

LLNL Brandon Wood 박사는 “새로운 고체 전해질 개발을 위해 계산과학 기반의 설계 원리를 제시하고, 이를 실험으로 검증한 체계적인 국제협력 연구였다”고 말했다.

이번 연구 성과는 에너지 소재 분야 국제학술지인 ‘ACS Energy Letters’ 최신 호에 게재됐다.