"한 번 충전해 800km"..세계 최고 성능 전고체배터리 개발

카이스트-조지아공대 공동 연구팀

기사의 특정 표현과 직접적인 관련 없음. [사진=게티이미지뱅크]

[아시아경제 김봉수 기자] 국내 연구진이 한 번 충전으로 800km를 달릴 수 있는 세계 최고 성능의 전고체 배터리를 개발해냈다.

카이스트(KAIST)는 김범준 생명화학공학과 교수 연구팀이 이승우 미국 조지아공대 교수팀과 함께 새로운 개념의 엘라스토머 고분자 전해질을 개발해 세계 최고 성능의 전고체 전지를 구현했다고 13일 밝혔다.

세계 최고 성능의 전고체 전지를 개발한 카이스트 연구팀. 왼쪽부터 이승우 교수, 김범준 교수, 한정훈 연구원, 이승훈 연구원. 사진제공=카이스트.

전고체 리튬메탈전지(all-solid-state Li-metal battery)는 이차전지에 사용되는 휘발성이 높은 액체전해질을 고체로 대체해 화재 및 자동차 안전사고를 막을 수 있는 미래기술이다. 현재 상용화된 리튬이온전지(Li-ion battery)에 비해 에너지밀도를 획기적으로 향상해 자동차 주행거리 확보 및 안전 문제를 해결할 수 있는 '꿈의 배터리 기술'이다.

연구팀은 상온에서 리튬(Li) 이온의 전도도가 탁월하며, 기계적 신축성이 모두 확보된 엘라스토머(고무) 형태의 고분자 전해질을 개발했다. 또 이를 전고체전지에 적용해 410Wh/kg의 세계 최고 성능을 보이는 전고체 리튬 메탈전지를 구현했다. 이러한 기술을 도입하면 현재 한번 충전으로 800 km까지 주행 가능한 전기자동차의 구현(현재 500km수준)이 가능하다. 또 기존의 액체 전해질을 적용한 리튬이온전지의 안정성을 획기적으로 향상할 것으로 기대된다.

고체 전해질은 크게 고분자 기반, 산화물 기반, 황화물 기반의 전해질로 나뉘는데, 현재 황화물 기반에서 가장 활발한 연구가 되고 있으나 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다. 고분자 기반 고체전해질은 원료가 매우 싸고, 저온 대량생산 공정, 가벼움의 장점을 갖고 있지만, 상온에서 낮은 이온전도도를 가지는 문제점이 있으며, 전지 충·방전 시 안정성이 떨어진다.

연구팀은 고무처럼 신축성이 탁월한 엘라스토머 내부에 리튬 이온전도도가 매우 높은 플라스틱 결정 물질을 3차원적으로 연결한 엘라스토머 고분자 고체전해질을 개발했다. 연구팀이 개발한 전해질은 기존에 대표적인 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 기반의 고분자 전해질에 비해 100배 정도 향상된 10-3 S/cm의 이온전도도를 가진다. 또한, 고무처럼 신축성이 우수한 전해질은 전지 충·방전 시 안정성에 가장 큰 문제가 되는 리튬 덴드라이트(dendrite)의 성장을 억제해, 탁월한 전지 성능 및 안정성을 확보했다.

개발된 고분자 전해질은 얇은 리튬금속 음극과 니켈 리치 양극(NCM-Ni83)으로 구성된 전고체전지에서 4.5V 이상의 고전압에서도 안정적인 구동을 보였으며, 410Wh/kg 이상의 세계 최고의 에너지 밀도를 보였다.

김 교수는 "이번 연구를 통해 미래의 배터리라고 불리는 세계 최고 성능 전고체전지를 개발했을 뿐만 아니라 엘라스토머 전해질이라는 기존과는 완전히 다른 새로운 종류의 고체전해질을 개발해 소재 원천 기술을 확보했다는 것에 큰 의의가 있다"며 "이번 연구를 통해 개발한 엘라스토머 전해질은 기존의 고체전해질이 가진 문제점을 획기적으로 개선하고, 제조 공정이 매우 간단해, 전고체전지의 전해질의 게임체인저가 될 것으로 기대한다"고 말했다

이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처(Nature)' 13일자에 출판됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr