정성철 교수(왼쪽)와 전태곤 학생. (사진=부경대 제공)

국립부경대학교는 정성철 물리학과 교수 연구팀이 전고체전지의 핵심 요소인 고체전해질의 이온확산 메커니즘을 규명하는 데 성공했다고 24일 밝혔다.

현재 휴대용 전자기기, 전기자동차 등에 사용되는 리튬이온전지는 가연성이 있는 액체전해질을 사용해 발화나 폭발의 위험성이 있다.

전고체전지는 액체전해질 대신 비가연성의 고체전해질을 사용해 전지의 안전성과 에너지 밀도를 현저히 개선할 수 있어 차세대 배터리로 주목받고 있지만, 고체전해질의 이온전도도는 아직 액체전해질의 수준(1 mS/cm 이상)에 미치지 못해 상용화에 어려움을 겪고 있다.

정 교수와 전태곤 석박사통합과정생은 산화안정성과 이온전도도가 높아 최근 주목을 받는 할라이드계 고체전해질 'Li3Y(Br3Cl3)'의 리튬이온 확산과정을 제일원리 분자동역학 시뮬레이션 연구를 통해 원자 수준에서 규명해냈다.

정 교수팀은 열역학적으로 가장 안정한 Li3Y(Br3Cl3) 구조의 이온전도도가 22.3 mS/cm까지 이를 수 있음을 제시했다. 이때 리튬이온의 확산이 단일 이온이 아닌 두 이온이 동시에 움직이는 협력적인 공동확산을 통해 진행된다는 것도 확인했다.

정 교수는 "공동확산 메커니즘은 지금까지 많은 고체전해질 물질에서의 리튬 확산방식으로 알려진 결함확산과는 다른 방식으로, 향후 연구에서 공동확산 또한 리튬의 확산 메커니즘 중 하나로 고려돼야 한다는 것을 시사한다"고 밝혔다.

연구팀은 또 Li3Y(Br3Cl3)의 전도도가 다른 할라이드계 고체전해질인 Li3YCl6와 Li3YBr6의 전도도에 비해서 1.4~7.4 배 더 높다는 결과를 확인하고, 할로겐 음이온들의 적절한 혼합을 통해 더욱 향상된 이온전도도를 갖는 할라이드계 고체전해질을 계발할 수 있다는 결과를 제시했다.

정 교수 연구팀이 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행한 이번 연구는 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)가 발간하는 화학‧물리‧재료 분야의 권위 있는 국제학술지 'Journal of Materials Chemistry A'(IF=14.511)에 지난 2월 1일 온라인판으로 게재됐다.