얼려서 '전고체배터리' 성능 높인다

일반 투과전자현미경(TEM)과 극저온 투과전자현미경으로 관찰한 황화물 고체 전해질(Li6.5P0.5Ge0.5S5I)의 결정 구조

[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 영하170℃로 순식간에 얼려 물질의 고해상도 이미지를 관찰할 수 있는 기술을 활용해 전고체배터리의 성능을 개선할 수 있는 기술이 개발됐다. 전고체배터리 외에도 리튬이온 배터리 등 다양한 방면에 활용될 수 있어, 안전한 배터리 개발을 위한 연구 기술로 활용될 것으로 예상된다.

울산과학기술원은 14일 이현욱 에너지 및 화학공학부 교수팀과 정윤석 한양대 에너지공학과 교수팀의 공동 연구 결과에 대해 이같이 밝혔다.

대기 비개방 극저온 투과전자현미경 분석법 시편 준비 과정

연구팀은 황화합물의 고체 전해질에 구조를 원자 단위에서 분석하는데 성공했다. 연구팀은 이 물질을 순식간에 얼리고, 공기와 접촉을 차단하는 새로운 방법을 통해 관찰하는 법을 개발했다.

황 화합물은 차세대 배터리인 '고체전해질 배터리'의 전해질로 사용될 가능성이 높은 물질이다. 배터리에 사용하기 위해서는 고체 상태일 때 이온 전도도를 높이기 위한 연구가 필요하다. 하지만 이 물질은 일반 전자현미경의 전자 빔에 취약한 성질이 있다. 폭발 위험이나 성능 개선을 위한 내부 구조 관찰은 간접적으로만 가능했다.

연구팀은 생체분자를 손상하지 않도록 얼려서 고해상도 이미지를 얻는 극저온 투과전자현미경 분석법을 도입해 다양한 성분을 조합한 황 화합물을 관찰했다. 이 결과, 황화합물 내에 이온 전도도가 가장 높은 물질의 결정 구조(육각형 모양)를 확인했다.

황화물 고체 전해질의 열처리 온도에 따른 결정구조 생성 모식도

이현욱 교수는 "대기 비개방 극저온 투과전자현미경 분석법은 공기와 접촉을 차단하고 물질의 손상을 막는 기법이라 반응성이 높은 리튬 이온 배터리의 다른 구성요소를 관찰하는 데도 적극 응용될 것"이라며 "이는 가까이 이차전지 산업에 교두보 역할을 하고, 멀리 바이오 및 재료과학 산업의 발전에 기여할 것"이라고 기대했다.

한편 전고체 배터리는 배터리 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 대체한 배터리다. 폭발이나 화재 위험이 없고 고용량 배터리를 구현할 수 있다. 이번 연구 결과는 학술지인 나노 레터스에 5일 소개됐다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr