한번 충전으로 전기차 800km 주행 시대 온다..고무 고체 전해질 기반 '전고체 전지' 개발

KAIST, 새로운 고분자 전해질 개발
낮은 이온전도도와 에너지밀도 향상
자동차 주행거리 및 안전문제 해결

KAIST는 엘라스토머(고무)를 고체 전해질로 사용해 높은 이온전도도와 에너지밀도를 높여 한 번 충전으로 800㎞ 주행 가능한 고분자 기반의 전고체 전지를 개발했다. KAIST 제공

이승우 교수(앞줄 왼쪽부터 시계방향), 김범준 교수, 한정훈 연구원,이승훈 연구원은 엘라스토머 고분자 전해질을 개발하고, 이를 적용해 세계 최고 성능의 전고체 전지를 구현했다. KAIST 제공

국내 연구진이 잘 늘어나고 튼튼한 특성을 지닌 엘라스토머(고무)를 고체 전해질로 사용해 세계 최고 성능의 전고체 전지를 구현하는 데 성공했다. 기존 고분자 기반 고체 전해질의 한계인 낮은 이온전도도를 극복하고, 충·방전 시 매우 높은 안정성을 통해 전고체 전지 전해질의 새로운 게임 체인저가 될 것으로 기대를 모은다.

KAIST는 김범준 교수 연구팀이 이승우 미국 조지아공대 교수 연구팀과 공동으로 새로운 개념의 엘라스토머 고분자 전해질을 개발해 세계에서 가장 우수한 성능의 전고체 전지를 만들었다고 14일 밝혔다.

전고체 리튬 메탈전지는 휘발성이 높은 액체 전해질 대신 고체 전해질을 적용해 화재나 폭발 위험을 막을 수 있는 차세대 전지다. 현재 상용화된 리튬이온전지에 비해 에너지 밀도가 높아 자동차 주행거리를 늘리고, 안전 문제를 해결할 수 있어 '꿈의 배터리'로 불린다.

연구팀은 고무처럼 신축성이 우수한 엘라스토머(고무) 내부에 리튬 이온전도도가 매우 높은 플라스틱 결정 물질을 3차원적으로 연결해 엘라스토머 고분자 고체 전해질을 개발했다.

이 전해질은 기존 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 기반의 고분자 전해질에 비해 100배 정도 향상된 이온 전도도를 가진다. 또 기계적 신축성이 우수해 전지 충·방전 시 안정성에 가장 큰 문제인 '리튬 덴드라이트' 성장을 막아 탁월한 전지 성능과 안정성을 확보하고 있다.

엘라스토머 기반 고체 전해질을 적용하면 한 번 충전으로 800㎞ 까지 전기차 주행이 가능하다고 연구팀은 설명했다.

특히 4.5볼트 이상의 고전압에서도 안정적으로 구동했으며, 에너지 밀도가 세계 최고 수준인 1㎏당 410Wh 이상에 달했다. 현재 주로 쓰이는 고분자 전해질인 폴리에틸렌 옥사이드(PEO)를 기반으로 한 전지의 에너지 밀도는 1㎏당 280Wh다.

김범준 KAIST 교수는 "세계 최고 성능의 전고체 전지를 개발했을 뿐 아니라, 엘라스토머 전해질이라는 기존과 완전히 다른 새로운 종류의 고체 전해질의 원천기술을 확보했다"고 말했다.

이승우 조지아공대 교수는 "전기차 배터리의 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술로 쓰여 전고체 전지의 상용화를 앞당길 것으로 기대한다"고 밝혔다.

이 연구결과는 국제 학술지 '네이처(13일자)'에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr