이 전해질로 만든 ‘전고상 리튬이온전지(all-solid-state lithium batteries)’는 에너지 밀도 등 성능이 획기적으로 향상됐다.
정윤석 교수는 “양극과 음극, 전해질이 모두 고체인 전고상 리튬이온전지는 궁극의 안정성을 갖기 때문에 ‘차세대 전지’로 각광받고 있다”며 “일본 자동차 회사인 도요타는 황화물계 고체전해질(Sulfide Solid Electrolyte)을 적용한 전고상 리튬이온전지로 전기자동차를 만들어 2020년까지 상용화하기 위해 전폭적으로 투자하고 있다”고 말했다.
우리가 흔히 보는 리튬이온전지는 ‘유기계 액체 전해질’을 쓴다.
이 물질은 가연성(flammable)이 있어 고온에 취약하다.
이를 무기계 고체 전해질로 바꾸면 열적 안정성 등을 확보할 수 있다. 하지만 가루 형태인 고체 전해질 입자 간 접촉면에서는 리튬이온이 지나다니기 어렵기 때문에 지금까지 전고상 리튬이온전지의 상용화가 어려웠다.
정윤석 교수팀은 이온 전도도가 뛰어난 ‘황화물계 고체 전해질’에 값싸고 화학적으로 안정적이며 열적 안정성이 뛰어난 ‘솔베이트 이온성 액체(Solvate Ionic Liquid)’를 미량 조합하는 방법으로 이 문제를 해결했다. 우수한 이온 전도도와 열적 안정성을 모두 잡은 것이다.
정 교수는 “황화물계 고체 전해질은 일반적인 유기계 액체 전해질과 반응하기 때문에 서로 조합될 수 없다고 알려졌지만 이번 연구에서 해결했다”며 “전고상 리튬이온전지뿐 아니라 리튬-황전지 등 다양한 전지 분야에서 중요한 발명으로 주목받고 있다”고 말했다.
제1저자로 논문에 참여한 오대양 UNIST 에너지 및 화학공학부 석․박사통합과정 연구원은 “액체 전해질은 리튬염과 극성유기용매로 구성되는데 극성유기용매가 고체 전해질과 반응하게 된다”며 “이번 연구에서는 액체 전해질 속 리튬염의 농도를 조절해 극성유기용매가 고체 전해질과 반응하지 않도록 함으로써 두 물질을 조합할 수 있었다”고 설명했다.