폭발없는 전고체전지 전해질, 잡아당겨 늘이자 성능·수명도 늘었다

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

국내 연구팀이 화재와 폭발 위험이 없는 차세대 전지인 전고체전지 성능과 수명을 개선할 수 있는 필름형 전해질을 개발했다. 기존 전해질을 잡아당겨 한쪽으로 3배 늘이는 새로운 공정이 적용됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 강석주 에너지화학공학과 교수와 주세훈 교수 공동연구팀이 전지 내부의 리튬이온이 원활하게 움직일 수 있는 필름형 고분자 전해질을 개발했다고 17일 밝혔다. 연구결과는 10월 25일(현지시간) 국제학술지 '에너지 스토리지 머티리얼즈'에 공개됐다.

현재 전기차나 에너지저장장치(ESS) 등에 널리 쓰이는 리튬이온 이차전지는 인화성 액체 전해질을 사용해 화재 위험이 높다. 전해질은 배터리의 음극과 양극 사이에서 리튬 이온을 전달하는 역할을 하는 소재다.

액체 전해질 대신 고체 고분자를 사용하는 전고체전지는 화재와 폭발 위험은 매우 적지만 리튬이온 이동성이 떨어지고 충방전을 반복할수록 용량이 급격히 줄어드는 문제가 있다.

연구팀은 불소가 포함된 고분자 물질인 'PVDF-TrFE-CFE'를 기반으로 필름형 전해질을 개발했다. 추가 리튬이온 통로를 제공하고 기계적 강도와 열 안정성을 향상하는 세라믹 필러를 도입해 복합 전해질을 만들었다.

일축 연신 공정으로 고분자 고체전해질의 구조를 제어하고 리튬이온 전달 경로를 개선하는 원리. 연신 공정으로 늘이기 전의 고분자 전해질은 고분자 사슬이 무질서하게 얽혀 있어 리튬이온 이동이 느리다. 연신 공정으로 늘어난 고분자 전해질은 고분자 사슬이 한 방향으로 정렬된다. 이온 이동 경로가 직선에 가깝게 바뀌면서 리튬이온 이동이 원활해진다. UNIST 제공

한쪽 방향으로 쭉 잡아당기는 '일축 연신' 공정이 물질 내부의 구불구불한 고분자 사슬을 풀어줘 필름형 전해질의 리튬이온 이동성을 크게 개선했다. 실험 결과 연신 공정을 거친 고분자 전해질의 리튬이온 확산 속도는 4.8배, 이온 전도도는 72% 증가했다. 

기존 전해질을 사용한 리튬금속–리튬인산철(LFP) 전고체전지는 충방전을 200회 반복하면 용량이 처음의 55% 수준으로 감소했지만 개발된 복합 전해질을 적용하자 200회 충방전 후에도 초기 용량의 78%를 유지했다. 난연성 검증 실험에서는 전해질에 불이 붙은 뒤 4초 만에 자연적으로 꺼졌다.

논문 제1저자인 나종건 UNIST 연구원은 "고분자 전해질 내부 구조가 리튬이온 이동을 방해하는 고질적 문제를 연신이라는 물리적 자극으로 해결할 수 있음을 입증했다"고 설명했다.

강 교수는 "고분자계 전해질은 무기계 고체 전해질보다 유연하고 대량 생산이 쉬운 소재"라며 "개발된 공정은 실험에 쓴 불소계 고분자뿐만 아니라 다양한 고분자 전해질에 적용돼 더 안전하고 오래 가는 전고체전지 상용화를 앞당기는 데 도움이 될 것"이라고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104707

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]