박문정 포스텍 화학과 교수 연구팀은 크기가 서로 다른 두 종류의 나노 입자가 격자 구조화된 이종 나노입자 전해질을 합성해 이온 전도성과 기계적 안정성을 동시에 향상시켰다고 18일 밝혔다. 이를 핵심 구성품으로 하는 전고체 리튬-황 배터리를 개발했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘머티리얼즈 호라이즌스’에 표지 논문으로 게재될 예정이다.

리튬 배터리에 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하면 폭발의 위험은 낮아지지만 낮은 이온 전도성과 충전 속도가 문제다. 이번 연구에서 연구팀은 안과 밖의 분자 구성이 다른 두 ‘코어-쉘 나노 입자’를 조립해 초격자 고체 전해질을 만들었다.

촘촘한 격자 구조로 리튬 이온이 지나가는 통로의 폭을 좁혀 이온이 흩어지지 않고, 잘 이동할 수 있도록 만든 것이다. 연구팀은 이 초격자 구조를 조절해 리튬 이온 수송에 최적화된 고체 전해질을 개발하는 데 성공했다.

실험 결과 연구팀이 개발한 고체 전해질 기반 전고체 배터리는 섭씨 25도에서 뛰어난 이온 전도도와 0.94에 이르는 리튬 전이율을 기록했다. 25~150도의 넓은 온도 범위에서도 0.12 기가파스칼(GPa)의 높은 탄성계수를 보였다. 최대 6볼트(V)의 전압에서도 작동하는 등 우수한 물리·화학적 안정성을 보였다. 200회 이상 사용된 후에도 1g당 600밀리암페어아워(mAh)로 높은 방전 용량을 유지하며 우수한 내구성과 효율을 나타냈다. 

연구를 이끈 박문정 교수는 “액체 첨가제를 사용하지 않고 리튬-황 배터리에 고체 전해질을 성공적으로 적용한 것은 이번이 처음”이라며 “이번 연구가 미래의 리튬 배터리 연구에 큰 도움이 되길 바란다”고 말했다.

*발췌: 동아사이언