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기존 고체 전해질보다 리튬 이온 전도 속도 30% 향상

고체 전지: 기록적인 전도도를 가진 신소재
새로운 화합물, 기존 고체 전해질보다 리튬 이온 전도 속도 30% 향상

배터리 혁신? 새로운 리튬 화합물이 고체 전지를 더욱 강력하고 빠르게 만들 수 있다. 리튬, 안티몬, 스칸듐으로 만들어진 이 소재는 기존에 알려진 모든 화합물보다 이온 전도 속도가 30% 빠르며, 이는 새로운 세계 기록이다. 따라서 이 소재는 기존 리튬 이온 전지보다 내구성과 안전성이 뛰어나고 에너지 밀도가 높은 고체 전해질 및 전극 첨가제로 고체 전지에 적합하다. 

▲ 리튬-공기 배터리를 예로 든 전고체 배터리의 구조. © Na9234/ Wdwd, CC-by 3.0

리튬 이온 전지는 여전히 우리 기술 분야에서 가장 중요한 에너지 저장 장치다. 하지만 연구원들은 더 작은 공간에 더 많은 에너지를 저장하고, 불연성이며, 더 오래 지속되는 전지를 개발하고 있다. 여기에는 고체 전지 또는 전고체 전지가 포함된다. 이러한 전지에서 리튬 이온은 리튬 이온 전지처럼 액체 전해질을 사용하는 것과는 달리 고체 결정 전해질을 통해 전극 사이로 이동한다.

전해질이 핵심

고체 전지의 성능은 전해질에 따라 크게 달라진다. "고체 배터리의 핵심 구성 요소인 고체 전해질은 높은 이온 전도도, 가능한 가장 낮은 전기 전도도, 그리고 높은 전기화학적 안정성을 가져야 한다"고 뮌헨 공과대학교의 징웬 지앙(Jingwen Jiang)과 그의 동료들은 설명했다. "이는 양극과 음극 사이의 빠른 이온 이동을 가능하게 할 뿐만 아니라 배터리의 높은 전압 밀도와 높은 충전 용량을 제공한다.“

현재까지 가장 우수한 고체 전해질은 실리콘, 인, 염소 또는 브롬, 그리고 산소를 포함한 여러 다른 원소가 보충된 리튬-황 화합물을 기반으로 한다. 이 화합물들은 최대 32밀리시멘스/제곱센티미터(mS/cm²)의 전도도를 달성한다. 더 나은 전해질 소재에 관한 연구는 아직 진행 중이다. 이온과 전자를 모두 잘 전도해야 하는 양극 또한 추가적인 최적화가 필요하다.

리튬, 안티몬, 스칸듐으로 만든 이온 전도체

지앙과 그녀의 동료들은 이제 그러한 소재를 발견했음에 틀림없다. 그들은 이전에 알려진 어떤 소재보다 리튬 이온을 30% 더 빠르게 전도하는 화합물을 개발했다. 새로운 리튬 이온 전도체는 소량의 전이 금속 스칸듐이 첨가된 결정질 안티모나이드(Li3Sb)로 구성된다. 연구팀은 "리튬의 일부를 Li2.55Sc0.15Sb 비율의 스칸듐으로 치환함으로써 전자 구조를 크게 변형할 수 있다"고 보고했다. 

▲ a) 298 K에서 Li3−3xScxSb (0 < x ≤ 0.15)의 결정 구조는 Li2.55Sc0.15Sb로 표현됩니다. Sb 원자(와이코프 사이트 4a), 혼합 Li/Sc 사면체 사이트(8c)에 해당하는 Li1/Sc1, 그리고 부분적으로 점유된 팔면체 Li 사이트(4b)에 해당하는 Li2는 각각 올리브 그린, 회색/청록색, 회색 변위 타원체로 표시되었으며, 각 타원체는 50% 확률로 설정되었다. (Li/Sc)Sb4 사면체와 LiSb6 팔면체의 구성 단위는 각각 파란색과 회색으로 표시. b) 사면체와 팔면체 사이트에 Li 원자가 완전히 점유된 입방 다형체 β-Li3Sb (출처:관련논문 Scandium Induced Structural Disorder and Vacancy Engineering in Li3Sb – Superior Ionic Conductivity in Li3−3xScxSb / Advanced Energy Materals)

추가 분석 결과, 새로운 화합물의 결정 격자에서 리튬 원자 3개마다 스칸듐 원자 1개가 치환되는 것으로 나타났다. 이러한 치환으로 인해 격자에 더 큰 공극이 생성되어 리튬 이온이 통과할 수 있는 공간이 넓어진다. 초기 시험에서 이 물질은 17.8KJ/mol의 낮은 활성화 에너지로 42mS/㎠의 높은 이온 전도도를 달성했다. Jiang과 동료들은 "이러한 특성은 고체 리튬 이온 전도체에 대해 현재까지 보고된 최고 및 최저 값이다"고 기술했다.
완전히 새로운 종류의 재료를 위한 기반

"이번 연구 결과는 고체 전지 기초 연구에 있어 중요한 진전을 보여준다. 소량의 스칸듐을 첨가함으로써 다른 원소 조합에도 획기적인 영향을 미칠 수 있는 새로운 원리를 발견했다"고 뮌헨 공과대학교의 수석 저자인 토마스 패슬러는 설명했다. 이 재료는 속도 향상 외에도 열 안정성을 제공하며, 검증된 화학 공정을 사용하여 쉽게 제작할 수 있다.

연구진은 완전히 새로운 종류의 이온 전도체에 대한 큰 잠재력을 보고 있다. 장은 "이번 발견은 다른 물질의 전도도를 높이는 데 있어 이 사례 이상의 의미를 가질 수 있을 것으로 예상한다"고 말하며, "이 조합은 예를 들어 리튬-인에도 쉽게 적용될 수 있다"고 덧붙였다. 기존의 고체 전해질과 달리 이 새로운 이온 전도체는 세 가지 원소만으로 구성되어 있어 재료의 변형 및 최적화가 더 쉽다.

전해질 및 전극 첨가제로 사용

미래의 고체 전지에서 새로운 리튬 이온 전도체는 전해질 역할뿐만 아니라 양극 첨가제 역할도 할 수 있다. 스칸듐과 혼합된 안티모나이드 리튬 역시 전자를 전도하지만, 이온보다 두 자릿수(1000배)가량 더 나쁘다. 따라서 장 교수와 동료들은 전극 첨가제로 이상적이라고 설명했다. 이 리튬 이온 전도체를 고체 전지에 사용하려면 아직 수많은 시험이 필요하다. 하지만 연구팀은 이미 이 개발에 대한 특허를 출원했다.
(Advanced Energy Materials, 2025; doi: 10.1002/aenm.202500683)
출처:TUM(Technische Universität München)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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