정윤석 교수팀, 액상 합성법으로 황화물계 고체전해질의 대기 안정성 향상

합성 방법에 따른 고체전해질의 물성 차이 최초 규명

전고체전지 저압 제조·구동으로 상용화를 위한 난제 해결

국제 저명 학술지 ‘Advanced Energy Materials’ 게재

[사진. (왼쪽부터) 우제훈 제1저자, 정윤석 교수]

공과대학 화공생명공학과 정윤석 교수 연구팀이 대량 생산에 있어 핵심인 액상 합성법을 통해 주석(Sn)이 치환된 대기 안정형 황화물계 고체전해질 기술을 개발했다. 또한 액상 합성으로 제조된 고체전해질이 기존 고상 합성 고체전해질에 비해 우수한 변형성을 가짐을 최초로 규명하고, 이를 활용해 전고체전지의 저압 제조 및 저압 구동을 구현했다.

기존 유기계 액체전해질을 사용한 리튬이온전지는 폭발 등 안전상의 문제가 있어 난연성의 무기계 고체전해질을 사용한 전고체전지가 주목받고 있다. 전고체전지는 기존의 액체전해질을 사용하는 시스템과 달리 모든 구성 요소가 고체로 이뤄져 있어 고체 입자 간 접촉이 충분하지 않으면 저항이 증가해 성능 저하의 원인이 된다. 따라서 전고체전지의 제조와 구동 과정에는 높은 압력이 필요하다.

여러 종류의 고체전해질 중, 황화물계 고체전해질은 높은 이온 전도도와 무른 기계적 특성을 가지고 있어 전고체전지 상용화에 유망하다. 하지만 무른 기계적 특성을 가짐에도 불구하고 전극 내 불완전한 고체 간 접촉은 여전히 난제이다. 무엇보다 황화물계 고체전해질은 수분에 불안정해 대기에 노출되면 유독한 황화수소 가스가 발생하면서 성능이 급격히 저하되는 치명적인 단점을 가지고 있다. 이에 따라 주석(Sn)이나 안티몬(Sb) 등 금속을 치환해 황화물계 고체전해질의 대기 안정성을 높이기 위한 연구들이 진행돼 왔지만, 금속 황화물 전구체는 용해가 어려워 액상 합성법을 적용한 예가 거의 전무하다.

정윤석 교수 연구팀은 1,2-에틸렌다이아민(ethylenediamine)과 1,2-에탄디티올(ethanedithiol)의 혼합물인 ‘EDA-EDT’ 용매를 사용해 금속 황화물(SnS2)을 완전히 용해할 수 있는 액상 합성 기술을 개발하고, 이를 통해 주석(Sn)을 치환한 대기 안정형 황화물계 고체전해질(Li3.2P0.8Sn0.2S4)을 성공적으로 합성했다.

이번 연구의 핵심은 액상 공정을 통해, 황화물계 고체전해질의 대기 안정성을 높였을 뿐만 아니라 고체전해질의 향상된 물성에 따라 전고체전지를 낮은 압력에서 제조 및 구동함으로써 전고체전지 상용화를 위해 해결해야 할 두 가지 난제를 동시에 개선했다는 것에 있다.

본 연구에서는 액상 합성으로 제조된 고체전해질이 고상 합성으로 제조된 고체전해질보다 기계적 변형성이 크다는 것을 확인했고, 이는 잔존하는 미량의 유기물에 기인한 것임을 밝혔다.

정윤석 교수는 “이번 연구는 합성 방법에 따라 고체전해질의 물성이 크게 차이 날 수 있음을 최초로 규명했으며, 액상 합성으로 얻어진 고체전해질을 이용해 전고체전지의 저압 제조 및 저압 구동 기술을 실현해 상용화에 기여할 수 있을 것이라 기대한다.”고 연구의 의의를 전했다.

본 연구는 과학기술정보통신부 원천기술개발사업(단계도약형탄소중립기술개발사업), 산업통상자원부 알키미스트 프로젝트 및 에너지인력양성사업의 지원으로 정윤석 교수(교신저자)와 우제훈 연구원(제1저자) 등이 함께 연구를 수행했다. 에너지 분야 국제 저명 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 2월 24일(현지시간) 표지논문으로 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Liquid-Phase Synthesis of Highly Deformable and Air-Stable Sn-Substituted Li3PS4 for All-Solid-State Batteries Fabricated and Operated under Low Pressures

● 논문주소: https://doi.org/10.1002/aenm.202203292