[로이슈 전여송 기자] 고체전해질의 리튬이온 원자가 ‘어떻게 흔들리고 움직이는지’를 정밀하게 추적하고 제어해 전고체 배터리 상용화를 앞당길 수 있는 새로운 전략이 제시됐다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 고려대학교 강용묵 교수 연구팀이 불규칙한 격자 진동인 비조화 포논 산란 제어를 통해 고체전해질의 이온 전도도를 향상시킴으로써 전고체 배터리의 성능을 높이는 연구 전략을 제시했다고 23일 밝혔다.

재단에 따르면 비조화 포논(anharmonic phonon)이란 포논은 원자들이 집단적으로 진동할 때 나타나는 양자화된 진동 모드다. 비조화 포논은 규칙적인 진동에서 벗어난 비선형적 격자 진동을 의미한다.

안전하고 에너지 밀도가 높아 꿈의 배터리로 불리는 전고체 배터리는 상용화를 위한 기술개발 경쟁이 치열하다.

전고체 배터리 개발에서 리튬이온의 통로 역할을 하는 고체전해질의 이온 전도도 향상은 배터리 성능을 좌우하는 중요한 요소다.

고체전해질 소재는 원자 배열이 무질서한 구조를 가질수록 높은 이온 전도도를 보이는 것으로 알려져 있다. 하지만 기존의 결정 구조 중심 분석으로는 이런 무질서 구조가 실제 이온 이동에 어떤 영향을 주는지 밝히는 데 한계가 있었다.

연구팀은 고체전해질의 이온 전도도가 원자의 구조나 배열의 변화만으로 설명되지 않는다는 점에 주목, 리튬이온 원자의 이동과 진동과 같은 동적인 특성에 초점을 맞췄다.

즉, 구조적 무질서와 비결정성이 이온 전도도 향상으로 이어지는 현상을 규명하기 위해 분광학적 분석과 머신러닝 기반 포논 해석 기법을 활용해 원자의 진동 변화를 정밀하게 추적했다.

그 결과 산화물계 고체전해질에 첨가되는 탄탈럼(Ta) 도핑이 고체 격자 내 무질서를 증가시키고 결합을 느슨하게 만들어 규칙적인 진동에서 벗어난 비조화 포논을 활성화한다는 사실을 확인했다.

이런 동적 변화는 리튬 이온이 개별적으로 이동하는 방식에서 벗어나, 여러 이온이 동시에 협력적으로 움직이는 집단적 이동을 촉진한다는 점을 실험적으로 입증했다.

이는 전고체 배터리의 이온 전도도가 궁극적으로 액체 전해질 기반 리튬 이온 전지 수준으로 크게 향상될 수 있는 메커니즘을 밝힌 것으로, 고체전해질에 이 설계 원리를 적용해 전고체 배터리 성능의 혁신적인 개선이 가능함을 의미한다.

강용묵 교수는 이번 연구성과에 대해 “고체전해질의 격자 동역학 연구를 통해 원자의 진동을 제어하는 것이 이온 전도도 향상의 가장 중요한 원인임을 밝혀냈다”며, “앞으로 첨단 분석법 개발이 진행된다면 차세대 배터리 소재 개발을 위한 토대를 마련할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 및 선도연구센터 지원사업으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학 분야 국제학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’에 9월 6일 게재됐다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr