화재 걱정 없는 유연한 전고체 배터리 나온다

DGIST-경북대, 가소제 기반 고체 전해질 개발
이온전도도 높아 에너지 효율 향상
충·방전 300회에도 용량 유지율 99.7%

김재현 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지융합연구부 책임연구원 공동연구팀의 가소제 기반 고체 전해질 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’ 표지 논문./대구경북과학기술원

국내 연구진이 배터리의 크기를 줄이고 안정성은 높인 고체 전해질을 개발했다. 이 전해질은 분리막이 필요 없고 유연한 성질을 가져 다양한 분야에 적용될 것으로 기대된다. 개발한 전해질로 만든 리튬금속전지는 300회 충·방전에도 처음과 같은 용량 유지 성능을 보였다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 김재현 에너지융합연구부 책임연구원과 전상은 경북대 신소재공학부 교수 공동연구팀이 고체 전해질을 이용한 새로운 리튬금속전지를 개발했다고 22일 밝혔다.

현재 상용화된 배터리에 사용되는 액체 전해질은 외부 충격이나 변형으로 분리막이 손상되면 화재가 발생한다. 특히 계속되는 충·방전으로 리튬이 나뭇가지 모양으로 성장하는 ‘덴드라이트(Dendrite)’ 현상이 발생하는데, 이 수지상 결정 현상은 폭발의 원인이 된다. 고체 전해질을 사용하면 배터리 내부의 분리막도 필요 없어 전체적인 부피를 줄일 수 있다.

고체 전해질은 인화성 물질이 포함되지 않기 때문에 화재 위험이 적고, 충격으로 누출될 위험이 없어 차세대 배터리 기술로 꼽힌다. 하지만 고분자 기반의 고체 전해질의 경우 이온전도도가 낮아 에너지 효율이 떨어진다는 문제가 있다. 에너지 효율을 높이기 위해선 전기화학적으로 안정성을 높여야 한다.

연구팀은 고체 고분자 전해질에 ‘BMI-Br’이라는 가소제를 넣는 방식으로 복합고체 전해질을 만들었다. 가소제는 고분자 물질을 가열이나 힘에 변형되기 쉽게 가공성을 개선하기 위해 사용하는 물질이다. 기존 고체 전해질은 배터리 내부 리튬 이온 이동 속도가 느려 에너지 효율이 낮고, 덴드라이트 성장을 억제하지 못했다. 하지만 가소제 기반 복합고체 전해질은 리튬염과 음이온 교환이 활발해 높은 이온전도도를 보였다.

연구팀은 새로 개발한 복합고체 전해질을 기반으로 리튬금속전지를 제작했다. 이 배터리는 리튬금속 음극 계면에서 덴드라이트 형성이 억제돼 안정성이 향상됐다. 높은 전류밀도에도 500회 사이클 이상 안정적으로 구동했고, 300회 사이클 충·방전 후에도 99.7%라는 높은 용량 유지율을 나타냈다.

그동안 고체 전해질 개발이 많이 이뤄졌지만, 고체 전해질에 가소제를 넣는 방식을 거의 연구되지 않았다. 연구팀이 개발한 복합고체 전해질은 가소제 영향으로 유연성도 높아 웨어러블 기기에도 적용될 수 있을 것으로 보인다.

김재현 책임연구원은 “안정성을 높이고 용량 유지율을 향상한 고체 전해질을 개발해 리튬금속전지의 성능을 크게 개선했다”며 “앞으로도 안정적이고 효율적인 배터리 개발을 위해 노력할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리 사업 등의 지원을 받았다. 연구성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’에 이달 2일 표지논문으로 게재됐다.

참고자료

Advanced Energy Materials, DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202301674

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