국립부경대학교(총장 배상훈)는 정성철 교수(물리학과) 연구팀의 고체전해질 이온전도도 향상 메커니즘 규명 연구가 영국 왕립화학회 국제학술지에 실렸다고 13일 밝혔다.

연구팀 사진[정성철 교수(왼쪽)와 전태곤 연구원. 국립 부경대 제공

국립부경대 정성철 교수와 전태곤 박사후연구원(램프사업단)이 주도한 연구팀은 전고체전지용 아지로다이트(argyrodite) 고체전해질 Li6SbS5I의 이온전도도가 양이온 치환을 통해 크게 향상되는 현상의 메커니즘을 규명했다. 이번 결과는 화재 위험성이 높은 액체전해질을 대체할 고체전해질 연구가 활발해지는 가운데 나온 의미 있는 성과다.

연구 이미지[Li6+xSb1-xSixS5Cl 고체전해질의 (좌)이온전도도와 활성화에너지 그래프 (우)Si 치환 전후의 확산장벽 및 확산경로 주변 원자들의 전하]. 국립 부경대 제공

연구팀은 제일원리계산을 통해 고체전해질 Li6SbS5I의 SbS4 사면체에서 양이온 Sb를 Si로 치환하면 Si가 이웃한 S 음이온에 많은 전자를 제공해, 전자가 풍부해진 S 음이온이 주위를 지나가는 Li 양이온과 강한 상호작용을 통해 Li의 확산장벽을 크게 낮춘다는 것을 규명했다.

연구 결과 이 고체전해질의 이온전도도는 치환 전 4.4 × 10-4 mS cm-1에서, 치환 후 15.4 mS cm-1로 치환 전에 비해 현저하게 증가하는 것으로 나타났다. 이는 전고체전지의 고체전해질에서 보고된 가장 높은 수준으로, 연구팀은 기존 리튬이온전지의 액체전해질과 경쟁할 수 있는 수치로 보고 있다.

정성철 교수는 “이번 연구는 이종원자가(aliovalent) 양이온 치환을 통해 Li 이온의 확산경로 주위의 전하를 조절하는(charge modulation) 전략이 아지로다이트계 고체전해질의 전도도 향상에 매우 효과적이라는 것을 밝힌 연구”라고 밝혔다.

이번 연구는 교육부의 G-램프(LAMP) 사업의 지원으로 진행됐으며, 논문 ‘Conductivity enhancement of argyrodite Li6SbS5I solid electrolyte via charge modulation around Li diffusion paths through Si substitution’은 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 화학·물리·재료 분야의 저명 국제학술지 (IF=9.5)에 최근 게재됐다.