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한양대학교 첨단에너지소재 교육연구단에 참여하고 있는 김동원 교수(교신저자)와 이영준 박사과정 학생(제1저자)은 얇고 유연한 고체 전해질 시트를 차세대 전고체전지에 적용하여 우수한 사이클 특성과 높은 안전성을 확보하였으며, 그 결과를 세계적으로 권위 있는 저널인 Chemical Engineering Journal(Impact Factor 16.744)에 게재하고 관련 기술을 국내 및 해외(미국, 독일, 중국 등)에 출원하였다.

전고체전지는 화재나 폭발의 위험성이 높은 가연성 액체 전해질 대신 고체 전해질을 적용한 차세대 이차전지로 에너지 밀도와 안전성이 높아 전 세계적으로 많은 주목을 받으며 활발한 연구가 진행되고 있다. 이온 전도도가 높은 것으로 알려진 황화물계 고체 전해질을 전고체전지에 사용하는 경우, 500 μm 이상의 두껍고 딱딱한 고체 전해질 펠렛을 이용하여 전지를 제작하기 때문에 전해질이 깨지기 쉽고 공정성이 떨어지며 전고체전지의 출력 특성 및 에너지 밀도에 불리한 면으로 작용해 왔다. 뿐만아니라 고체 전해질 제조 시 값비싼 황화물계 전해질 소재가 많은 양 사용되는 단점을 갖고 있어 상용화의 걸림돌이 되고 있다.

이를 극복하기 위하여 김 교수팀에서는 황화물계 고체 전해질, 이온 전도성 가교제, 리튬 염을 혼합한 후 화학 가교 반응을 통해 3차원 네트워크 구조를 갖는 복합 고체 전해질 시트를 제작하였다. 제작된 고체 전해질 시트는 얇은 두께로 제조할 수 있으며, 기계적 물성 (인장 강도, 유연성 및 휘어짐 특성), 이온 전도도, 리튬 음극에 대한 안정성이 우수하여 전고체전지의 대면적화에서 요구되는 특성을 모두 만족시킨다. 이들을 전고체전지에 적용한 경우, 기존 황화물계 고체 전해질 펠렛을 적용하였을 때 비해 우수한 충·방전 특성을 나타내었다.

유연성을 갖는 박막형 고체 전해질 시트의 성공적인 개발을 통해 높은 안전성과 에너지 밀도를 갖는 전고체전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대되며, 이들은 리튬-황 전지, 리튬-공기 전지 등 차세대 이차전지의 전해질로도 적용 가능하여 본 연구의 파급 효과는 매우 크다.

본 연구는 한국연구재단이 추진하는 개인연구지원사업(중견연구)와 현대자동차그룹 배터리 공동연구센터의 지원으로 수행되었으며, 현대자동차 김윤성 박사 연구팀과의 협업을 통해 진행되었음.

(관련웹사이트: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723057145?via%3Dihub)