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고무형태 전해질로 최고성능 고체전지 구현
고무형태 전해질로 최고성능 고체전지 구현
  • 최아름 기자
  • 승인 2022.01.14 11:38
  • 댓글 0
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KAIST-조지아공대
에너지밀도 획기적 향상하는
‘꿈의 배터리 기술’ 개발
세계적 학술지 ‘네이처’ 게재
엘라스토머 기반 고체전해질 모식도 및 개발된 전고체전지 성능 비교 그래프. [출처=KAIST]
엘라스토머 기반 고체전해질 모식도 및 개발된 전고체전지 성능 비교 그래프. [출처=KAIST]

[정보통신신문=최아름기자]

고무형태의 전해질을 통해 세계 최고성능의 전고체전지를 구현할 수 있는 기술이 국내에서 개발돼 눈길을 끌고 있다. 이 기술을 통해 전기자동차 배터리 기술에 혁신적인 변화가 있을 것으로 기대된다.

KAIST는 김범준 생명화학공학과 교수 연구팀이 이승우 미국 조지아공대(Georgia Tech) 교수팀과 공동연구를 통해 새로운 개념의 엘라스토머 고분자 전해질을 개발하고 이를 통해 세계 최고성능의 전고체전지를 구현했다고 13일 밝혔다.

KAIST 한정훈 및 조지아공대 이승훈 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처(Nature)'에 13일 게재됐다.

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개발된 엘라스토머 기반 고체전해질을 이용한 전고체전지의 수명성능 및 고속 방전 특성 그래프. [출처=KAIST]

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

공동 연구팀은 상온에서 리튬(Li) 이온의 전도도가 탁월하며, 기계적 신축성이 모두 확보된 엘라스토머(고무) 형태의 고분자 전해질을 개발했으며, 이를 전고체전지에 적용해 410Wh/kg의 세계 최고성능을 보이는 전고체 리튬 메탈전지를 구현했다. 이러한 기술을 도입하면 현재 한번 충전으로 800㎞까지 주행 가능한 전기자동차의 구현(현재 500㎞ 수준)이 가능할 것으로 보이며, 기존의 액체 전해질을 적용한 리튬이온전지의 안정성을 획기적으로 향상할 것으로 기대된다.

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개발된 엘라스토머 기반 고체전해질을 이용하여 구현된 전고체전지 및 기대효과. [출처=KAIST]

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/㎝의 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.

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개발된 엘라스토머 기반 전고체전지 및 성능비교. [출처=KAIST]

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 에너지밀도를 보였다.

SK이노베이션의 최경환 차세대 배터리센터장은 “전고체 배터리는 전기차주행거리와 안전성을 획기적으로 늘릴 수 있다”며 “전고체 배터리 상용화 여부는 전기차 시장의 판도를 가를 중요한 과제로, 김범준·이승우 교수 연구팀이 개발한 엘라스토머 전해질은 기존의 고분자계 고체전해질의 한계를 해결한 획기적인 결과”라고 말했다.

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엘라스토머 기반 고분자 전해질 구조 및 전자현미경 이미지. [출처=KAIST]

이차전지 분야의 권위자인 강기석 서울대 교수는 “전고체 이차전지에 대한 세계적인 개발 경쟁이 치열한 가운데, 기존 고체전해질과 차별되는 엘라스토머 기반의 신규 고체전해질 개발은 이 분야의 발전에 새로운 가능성을 제시할 것이다”라고 말했다.

이승우 조지아공대 교수는 "이번 연구를 통해 개발한 엘라스토머 전해질은 기존의 고체전해질이 가진 문제점을 획기적으로 개선하고, 제조 공정이 매우 간단해, 전고체전지의 전해질의 게임체인저가 될 것으로 기대한다ˮ라고 밝혔다.

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엘라스토머 기반 고분자 전해질의 물리적 특성 (높은 전도도 및 신축성). [출처=KAIST]

 

 

 

 

 

 



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