KBSI, 전고체 배터리 성능 높일 핵심 원리 규명

음이온 회전이 리튬이온 이동 촉진

고성능 고체전해질 새 설계 방향 제시

[대전=뉴시스] 고체전해질에서 보로하이드라이드의 회전이 리튬이온의 이동을 돕는 원리를 보여주는 모식도.(사진=KBSI 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 전고체 배터리 핵심 소재인 고체전해질에서 음이온 회전이 리튬이온의 이동을 돕는 원리가 국내 연구진에 의해 밝혀졌다.
 
한국기초과학지원연구원(KBSI)은 지능형이차전지전략연구단 이영주 박사팀이 아지로다이트계 고체전해질에 포함된 보로하이드라이드(BH₄⁻)의 회전과 리튬이온 이동이 서로 맞물려 일어나는 과정을 규명하고 전고체 배터리 개발을 위한 새로운 설계 방향을 제시했다고 21일 밝혔다.

이번에 연구팀은 붕소 원자 1개와 수소 원자 4개로 이뤄진 보로하이드라이드가 고체전해질의 결정 구조 안에서 방향을 바꾸며 회전할 수 있다는 점에 주목했다.

기존에도 보로하이드라이드를 넣으면 이온전도도가 높아질 수 있다는 사실은 알려졌지만, 이 회전이 리튬이온 이동을 어떻게 돕는지는 명확하지 않았다.

연구팀은 고체 핵자기공명분광법과 분자동역학 시뮬레이션을 이용해 두 움직임의 관계를 분석했다. 분석 결과, 보로하이드라이드의 회전과 리튬이온 이동이 반복적으로 맞물리는 것으로 나타났다.

또 시뮬레이션에서 보로하이드라이드의 회전을 제한하자 리튬이온 확산성이 거의 절반으로 감소하는 것으로 확인됐다. 이는 보로하이드라이드의 회전이 리튬이온의 장거리 이동을 촉진하는 역할을 한다는 의미다.

이어 연구팀은 보로하이드라이드가 결정 구조 안에서 서로 다른 두 위치에 함께 존재하는 것이 리튬이온 이동에 영향을 미친다는 사실도 규명했다. 이 경우 리튬이온이 이동할 수 있는 공간이 더 고르게 형성돼 한 공간에서 다음 공간으로 원활하게 이동할 수 있다.

이번 연구서 연구팀은 고체전해질의 이온전도도를 높이기 위해 단순히 소재의 성분만 바꾸는 데 그치지 않고 내부 물질의 위치와 움직임까지 설계해야 한다는 기준을 제시했다.

고체전해질을 더욱 효율적으로 개발하고 소재 개발과정의 시행착오를 줄이는 데 기여할 것으로 평가 받은 이번 연구에는 KBSI를 비롯해 한국과학기술연구원(KIST), 성균관대, 중앙대가 참여했으며 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 'Small'에 최근 게재됐다.

이영주 박사는 "고체전해질 안에서 주변 음이온의 회전이 리튬이온 이동을 돕는 과정을 규명한 성과"라며 "전고체 배터리용 고체전해질의 이온전도 성능을 높이는 새로운 설계 기준으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.


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