전해질, 쭉 잡아당겼더니 배터리 성능 ‘UP’…전고체 배터리 수명 늘려

UNIST, 리튬이온성 높인 ‘필름 고분자 전해질’ 개발
한쪽 방향 잡아당기는 공정으로 수명과 난연 성능 향상

UNIST가 개발한 필름 고분자 전해질 제조 과정과 고분자 내부 구조 변화 모식도. UNIST 제공.

필름 형태 전해질을 ‘쭉 잡아당기는’ 간단한 공정만으로 폭발 없는 배터리인 ‘전고체’ 배터리의 수명을 늘릴 수 있는 기술이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 강석주 에너지화학공학과 교수와 주세훈 숙명여대 교수 연구팀이 공동으로 오래가는 전고체배터리를 만들 수 있는 ‘필름형 고분자 전해질’을 개발했다고 17일 밝혔다.

전해질은 배터리 음극과 양극 사이에서 리튬이온이 오가는 통로 역할을 하는 소재다.

현재 상용 전기차나 대용량 에너지저장장치(ESS) 배터리 전해질은 인화성 액체를 사용하는데, 이를 고체로 바꾼 고분자 전고체 배터리는 폭발과 화재 위험은 낮다.

하지만 리튬이온 이동성이 떨어져 충·방전을 반복할수록 용량이 줄어드는 문제가 있다.

연구팀은 리튬이온 이동성을 크게 개선한 불소계 고분자 기반 필름형 전해질을 개발했다. 이 전해질은 한 방향으로 잡아 당기는 ‘일축 연신 공정’을 통해 리튬이온의 이동을 원활하게 구현했다.

또 고분자에 세라믹 가루를 배합해 기계적 유연성과 난연성을 보완하고 이온 전도도를 높였다.

실험 결과, 연신공정을 거친 순수 고분자 전해질의 리튬이온 확산속도는 연신공정을 거치지 않은 전해질과 비교해 4.8배 증가했고, 이온 전도도는 72% 증가했다.

개발된 전해질을 적용한 리튬금속-리튬인산철(LFP) 배터리는 200회 충·방전 후에도 초기 용량의 78%를 유지했다. 반면 연신공정을 거치지 않은 순수 고분자 전해질은 200회 충·방전 반복 시 용량이 초기의 55% 수준으로 감소했다.

난연 성능에서도 불이 붙은 지 단 4초 만에 불이 꺼졌다.

강석주 UNIST 교수는 “고분자계 전해질은 무기계 고체 전해질보다 유연하고 대량 생산이 쉬운 소재로, 다양한 고분자 전해질에 적용해 더 안전하고 오래가는 전고체 배터리 상용화를 앞당기는 데 기여할 것”이라고 말했다.

이 연구결과는 에너지 소재 분야 국제 학술지 ‘에너지 저장 물질’ 지난달 31일 온라인에 실렸다.

강석주(왼쪽부터) 교수, 이민주 연구원(제1저자) 나종건 연구원(제1저자). UNIST 제공.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr