고에너지 리튬 이온 배터리의 미래

고에너지 리튬 이온 배터리의 미래

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고체 전해질을 사용하는 전고체 리튬 이온(리튬 이온) 배터리는 불연성이며 액체 전해질을 사용하는 배터리보다 에너지 밀도와 전달 수치가 높다. 이러한 발전은 특히 전기 자동차와 같은 분야에서 기존의 액체 전해질 리튬 이온 배터리가 지배하던 시장에서 경쟁할 수 있는 유리한 위치를 점하고 있다.

 

그러나 이러한 장점에도 불구하고 고체 전해질은 리튬 이온 전도도가 낮고 전극과 고체 전해질의 적절한 접촉을 달성하는 데 어려움이 있다.

 

황화물을 기반으로 하는 고체 전해질은 전도성이 있지만 수분과 반응하면 독성 이황화수소를 생성한다. 따라서 안전하고 성능이 우수하며 빠르게 충전되는 고체 리튬 이온 배터리를 만들려면 전도성과 공기 안정성을 모두 갖춘 비황화물 고체 전해질이 필요하다.

 

도쿄과학대학의 후지모토 겐지로 교수, 아이미 아키히사 교수, 덴소 코퍼레이션의 요시다 슈헤이 박사가 이끄는 연구팀은 최근 연구에서 파이로클로어형 옥시플루오라이드 모양의 안정적이고 전도성이 높은 리튬 이온 도체를 관찰하여 2024년 3월 28일자 화학 재료 저널에 게재했다.

 

“전고체 리튬이온 2차 전지를 만드는 것은 많은 배터리 연구자들의 오랜 꿈이었다. 높은 에너지 밀도와 안전성을 모두 갖춘 전고체 리튬이온 배터리의 핵심 구성 요소인 산화물 고체 전해질을 발견했다. 이 물질은 공기 중에서 안정적일 뿐만 아니라 이전에 보고된 산화물 고체 전해질보다 높은 이온 전도성을 나타낸다.” -켄지로 후지모토, 도쿄과학대학 교수-

 

이 연구에서 조사된 파이로클로어형 옥시플루오라이드는 Li2-xLa(1+x)/3M2O6F(M = Nb, Ta)이다. X-선 회절, 리트벨트 분석, 유도 결합 플라즈마 광 방출 분광법, 선택 영역 전자 회절 등 다양한 방법을 사용하여 구조적, 조성적으로 분석했다.

 

Li1.25La0.58Nb2O6F는 상온에서 벌크 이온 전도도 7.0mS cm-¹, 총 이온 전도도 3.9mS cm-¹로 생산되었다. 이는 알려진 산화물 고체 전해질의 리튬 이온 전도도보다 높은 것으로 밝혀졌다.

 

이 물질의 이온 전도 활성화 에너지는 매우 낮으며 저온에서 이 물질의 이온 전도도는 황화물 기반 물질을 포함하여 알려진 고체 전해질 중 가장 높은 것이다.

 

이 새로운 물질은 -10°C에서도 상온에서 표준 산화물 기반 고체 전해질과 동일한 전도도를 갖는다. 또한 100°C 이상의 전도도가 확립되었기 때문에 이 고체 전해질의 작동 온도 범위는 -10°C ~ 100°C이다. 기존의 리튬 이온 배터리는 영하의 온도에서는 작동할 수 없다. 따라서 자주 사용하는 휴대폰용 리튬 이온 배터리는 0~45°C의 온도 범위에서 작동한다.

 

이 물질의 리튬 이온 전도 메커니즘을 분석한 결과 파이로클로어형 구조 내의 전도 경로는 MO6 팔면체에 의해 생성된 터널에 위치한 불소 이온을 덮고 있다. 전도 메커니즘은 리튬 이온이 순차적으로 이동하면서 불소 이온과 결합을 교환하는 방식으로 진행된다.

 

리튬 이온은 항상 준안정 위치를 통과하면서 가장 가까운 리튬 위치로 이동한다. F 이온에 결합된 움직이지 않는 La3+는 전도 경로를 막고 근처의 준안정 위치를 제거하여 리튬 이온 전도를 방해한다.

 

기존의 리튬 이온 이차전지와 달리 산화물 기반 전고체 배터리는 손상으로 인한 전해액 누출 위험과 황화물 기반 배터리에서 발생하는 독성 가스 발생 가능성을 제거했다. 이 혁신은 배터리 기술의 미래 연구를 선도할 것이다.

 

"새로 발견된 물질은 이전에 보고된 산화물 기반 고체 전해질보다 안전하고 높은 이온 전도성을 나타낸다. 이 소재를 적용하면 저온에서 고온까지 광범위한 온도에서 작동할 수 있는 혁신적인 배터리 개발에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 전기 자동차에 고체 전해질을 적용하는 데 필요한 성능을 만족한다고 생각한다."라고 후지모토는 덧붙였다.

 

이 새로운 소재는 뛰어난 안정성을 자랑하며 손상을 입어도 불연성을 유지하므로 항공과 같은 중요한 안전 애플리케이션에 특히 적합하다. 고온에 대한 복원력과 빠른 충전 지원 능력도 뛰어나 전기차와 같은 고용량 용도에 적합하다.

 

또한 소형화의 잠재력은 가전제품, 의료 기기 등 다양한 분야에서 발전할 수 있는 흥미로운 가능성을 열어준다.

 

결론적으로, 연구진은 전도성과 공기 안정성이 뛰어난 리튬 이온 전도체를 개발했을 뿐만 아니라 파이로클로어형 옥시플루오라이드를 이용한 새로운 형태의 초이온 전도체를 선보였다.

 

향후 연구에서는 리튬을 둘러싼 국소 구조의 복잡성을 탐구하고 전도 중 동적 변화를 이해하며 전고체 전지의 고체 전해질로서의 가능성을 평가하는 데 우선순위를 두어야 한다.

 

 

저널 참조:

Aimi, A., 외. (2024) 파이로클로어형 고체 전해질 Li2-xLa(1+x)/3M2O6F(M = Nb, Ta)에서 높은 리튬 이온 전도성. 재료 화학. doi:10.1021/acs.chemmater.3c03288