전고체 배터리를 위한 새로운 전해질의 발견

새로운 배터리 소재는 전고체 배터리 개발에 대한 가능성을 새롭게 제시할 수 있습니다.

기존의 리튬 이온 배터리는 인화성 전해질로 인한 화재에 대한 잠재적인 위험을 포함하고 있었습니다. 따라서 완벽한 배터리를 추구하기 위해 과학자들은 두 가지의 목표를 가지고 있습니다. 배터리의 용량을 최대화하면서도 안전하게 만드는 것이 바로 그것입니다. 

이를 위해 고안 된 것이 바로 전고체 배터리입니다. 완전히 고체 전해질로 구성된 전고체 배터리는 더 높은 열적 안전성과 에너지 밀도를 가지고 있어서 향후 미래 배터리로써 각광을 받고 있습니다.

미국의 아곤국립연구소의 본부를 두고 있는 에너지저장연구를 위한 공동센터에 일원인 캐나다 워털루대학에 연구원들은 몇 가지 중요한 장점을 제공할 수 있는 새로운 고체전해질을 발견했습니다.

리튬, 스칸듐, 인듐, 염소로 구성된 이 전해질은 리튬이온은 전도성이 좋지만 전자는 전도성이 떨어진다는 특징을 가지고 있습니다. 이 조합은 4V 이상의 고전압에서 100 사이클 이상, 중간 전압에서는 수천 사이클 이상 동안 용량을 크게 잃지 않는 상태로 전고체 배터리를 구동하는데 필수적인 요소를 제공 합니다. 전해질의 염화물은 4V 이상의 작동 조건에서 안정성이 매우 중요한데에 이느 오늘날 리튬이온전지의 주축을 이루는 전형적인 양극 물질에 적합하다는 것을 의미합니다. 전고체 배터리에 고체전해질의 주된 매력은 인화성이 낮고 배터리 셀에 효율적으로 배치 될 수 있다는 점입니다.

고체전해질의 현재 사이클은 2.5 V에 이상에서 산화 및 분해되는 황화물에 크게 초점을 맞추고 있습니다. 따라서 4V 이상에서 작동하는 양극물질 주위에 절연 코팅이 필요하며 이는 전자와 리튬이온이 전해질에서 양극으로 이동하는 능력을 손상시킬 수 있습니다. 

기존의 리튬황 전해질은 난제를 가지고 있었습니다. 전해질이 산화되지 않도록 전기적으로 양극에서 분리하길 원하지만 여전히 양극물질의 전기전도성이 필요합니다. 반면 염화물 전해질을 사용할 경우 전자전도도가 낮고 더 높은 이온 전도율을 보이는 것으로 확인되었습니다.

이온 전도도를 올리는 화학적 열쇠 중 하나는 스피넬이라고 불리는 물질에 구조에 있습니다. 스피넬의 가능한 한 많은 전하를 전달하는 이온을 적재하는 동시에 이온이 통과할 수 있는 공간을 충분히 열어두어야 합니다. 스피넬 구조의 절반은 리튬을 점유하고 나머지 절반은 개방하는 것이 이상적인 상태이지만 그런 상황을 만들도록 설계하는 것은 쉬운 일이 아니라고 연구진은 설명합니다. 또한 리튬에 좋은 이온전도성 외에도 높은 전압에서 분해되기 위해 전자가 전해질을 통해 쉽게 이동하지 못하도록 해야 합니다.

연구를 주도한 나자르 교수는 전자전도도가 기존에 보고된 많은 염화물 전해질 보다 낮은 이유는 아직 정확하게 설명할 수는 없지만 양극재와 고체전해질간에 깨끗한 인터페이스를 구축하는데 도움이 되고 있고 이는 양극에 많은 양의 활성물질이 있더라도 안정적인 성능을 발휘하는데 큰 원인이 된다고 밝혔습니다.