리튬이차전지, 전고체전지 등 공정혁신을 통한 소재 확장성 제시

신재생에너지 시스템 연구실 김영범 교수와 김선민 연구원 (융합기계공학과)은 전고체전지 양극 활물질의 양이온 혼합 억제를 통한 초기 성능 향상 및 사이클 내구성을 확보할 수 있는 산화물 보호막 제조 공정을 개발했다고 밝혔다.

기존 산화물의 제조 공정은 고온에서의 긴 공정시간으로 인해 화학적 부반응 및 불필요한 상변화, 용융점이 낮은 원소들의 증발 등 상당한 한계점이 존재하며 이로 인해 재료의 선정에도 상당한 제약을 가지고 있다. 특히 lithium lanthanum titanate(LLTO)는 페로브스카이트(perovskite)계 전고체전지용 전해질 물질로 우수한 이온 전도도로 각광받았으나 장시간의 고온에 노출될 경우 리튬의 낮은 용융점으로 인해 리튬이 증발하여 원소 간의 비율이 유지되지 못하는 실정이다. 또한 양극 활물질의 표면에 보호막으로 제작할 경우, 양극 활물질과의 부반응으로 인한 부산물인 이차상 생성과 양극 활물질 내 양이온 혼합을 야기한다.

연구진은 이전에 널리 사용되었던 장시간의 제조 공정의 한계점을 극복하기 위해 단 시간 내에 제조 공정이 가능한 초고속 극단파 광 열처리(flash light sintering) 공정을 개발하였다. 이는 제논(Xe) 램프의 양단에 고전류를 인가함으로써 발생하는 아크 플라즈마(arc plasma) 및 극단파(intense pulsed light)를 이용하여 수 밀리세컨드 (milliseconds) 안에 산화물을 소결하는 공정이다. 본 연구에서는 해당 공정을 이용하여 LLTO 박막 제조 시 리튬의 증발을 억제하여 원소 간의 비율을 유지하였다. 또한 해당 공정의 quenching 효과를 통해 리튬 이온의 전도를 방해하는 La-rich layer가 산재된 기존의 tetragonal 페로브스카이트와는 달리 획기적으로 disordered cubic 페로브스카이트 구조를 발현시켜 이온 전도도를 한층 더 향상시켰다.

본 연구에서 제시하는 초고속 극단파 광 열처리 공정은 공정시간이 수 밀리세컨드로 매우 짧아 니켈계 양극 활물질 표면에 보호막으로 LLTO를 코팅하였을 때, 니켈 간 발생하는 부반응을 막고 양극 활물질 내 양이온 혼합을 억제할 수 있으며 이를 통해 내구성이 향상된 고성능의 리튬이온이차전지를 개발하였다. 특히 보호막의 응집현상이 억제되어 균일한 보호막을 제작할 수 있어 양극 활물질과 황화물계 고체 전해질 계면에서 발생하는 부반응을 방지할 수 있다.

한 편 연구팀은 기존 고온의 장시간 제조 공정으로 인해 적용이 제한된 다양한 소재에도 초고속 극단파 광 열처리 공정을 도입할 예정이다. 뿐만 아니라, 최신 차세대 에너지 소자의 상용화를 앞당기기 위한 연구가 지속적으로 이어짐에 따라, 공정 온도 및 시간을 대폭 줄임으로써 첨단 소재 산업의 제조 단가 및 산업 경쟁력 향상에도 기여하고자 한다.

과학기술정보통신부의 재원(중견연구자지원사업)으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 에너지 소재 분야 세계적 권위지인 「Journal of Materials Chemistry A」 9월 13일자에 게재됐으며, 표지논문으로도 선정됐다.

김영범 교수