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내연 기관 자동차를 규제하고 전기 자동차를 보급하려는 세계적 흐름에 맞춰 전기 자동차의 핵심 부품인 이차전지 연구가 진행되고 있다. 하지만 액체 전해질을 이용하는 상용 전지의 가연성·폭발성 문제를 해결하려면 고체 전해질을 활용한 전고체 전지를 개발해야 한다.
하지만 높은 이온전도도, 높은 화학·전기화학적 안정성과 기계적 변형성을 지닌 고체 전해질 소재 개발이 필수적이다. 지금까지 주로 개발된 황화물·산화물계 고체 전해질은 높은 이온전도를 갖는 조성 개발엔 성공했지만 모든 필수 조건을 만족시키지 못했다.
대안으로 높은 이온전도도, 기계적 변형성과 고전압에서 안정성을 가진 염화물 고체 전해질이 양극·전해질의 혼합체인 복합 양극 설계에서 적합한 후보 소재로 주목받고 있다. 다만, 염화물 고체 전해질이 비싼 희토류의 금속을 주로 함유해 가격 측면에서 적용하기 어려웠다.
강기석 교수 연구팀은 소재 편차가 삼방정계 염화물 고체 전해질 구조의 특이성에서 기인하고, 구조 내에서 금속 이온의 조성과 배치가 리튬 이온의 전도성에 미치는 영향을 규명했다.
리튬이 이동하는 경로에 메탈 이온이 인접한 경우, 정전기 반발력에 의해 리튬의 이동이 제한되는 반면, 메탈 이온의 점유율이 너무 낮으면 도리어 리튬이 이동하는 경로가 좁아져 오히려 리튬의 이동에 방해가 생긴다는 사실도 알아냈다. 이러한 요소들을 조절해 전해질을 설계하면 고 이온전도성을 가진 소재를 얻을 수 있다고 내다봤다.
특히 연구팀은 리튬이 이동하는 경로가 충분히 넓고, 메탈 이온의 반발력에 의해 고립되는 리튬 이온을 최소화할 수 있는 전해질 조성에 대한 소재 설계 전략을 제시했다. 해당 전략을 기반으로 지르코늄계 신규 고 이온전도성 염화물 고체 전해질도 개발했다.
강기석 교수는 “그동안 명확하게 해석하지 못했던 금속 이온의 배치에 따른 삼방정계 염화물 고체 전해질의 이온 전도성 변화에 대해 규명하고, 새로운 전해질 설계 전략을 제시했다”며 “앞으로 다양한 염화물계 고체 전해질 개발에 활용할 수 있다”고 했다.
연구 결과는 자연 과학 분야 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’에 3일자로 게재됐다.
