[헬로티]

고분자 기반 복합 고체 전해질 사용해 덴드라이트 성장 억제하고 온도 안정성 높여

▲출처 : 전남대학교 신소재공학부

전남대학교 공과대학 신소재공학부의 박찬진 교수 연구팀이 4일 복합 고체 전해질을 적용한 전고체 배터리를 개발했다고 밝혔다.

박찬진 교수팀의 이번 연구는 기존 고체 전해질의 약점이었던 이온전도도, 전극과의 계면 안정성, 기계적 성질에 관한 문제를 해결했다. 해당 연구 결과는 ESS(에너지저장장치), 모바일기기, 의료기기 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 보인다. 

현재 전기차 등에 보편적으로 쓰이는 리튬이온 배터리에는 통상 유기계 액체 전해질이 사용된다. 유기계 액체 전해질은 배터리 제조 시 편의성과 성능 면에서 장점이 있지만 불에 잘 타는 성질을 가지고 있어 화재 위험성이 높다. 최근 산발적으로 발생한 전기차 화재 사고의 원인으로 지목된 것도 액체 전해질을 사용한 리튬이온 배터리다. 

화재 위험성이 높은 기존 리튬이온 배터리에 대한 대안으로 배터리의 전체 부품이 액체가 아닌 고체 재료로 구성된 안전한 배터리가 바로 전고체 배터리다.

하지만 전고체 배터리는 핵심 부품인 고체 전해질이 액체 전해질에 비해 이온전도도가 낮고, 전극과의 계면접촉이 불안정하다는 문제를 안고 있어 상용화되는 데 어려움이 있었다.

박찬진 교수팀의 이번 연구 결과는 고체 전해질의 한계를 극복할 수 있는 길을 열었다는 데 의의가 있다.

연구팀은 간단한 제조 공정을 통해 PPC 고분자에 소량의 다공성 실리콘 산화물 나노입자를 고르게 분산시킨 복합 고체 전해질을 개발했다. 연구팀은 단단한 세라믹 물질에 비해 부드러워 전극과의 계면 접촉성이 뛰어난 이 복합 고체 전해질을 고용량 리튬금속 음극 및 리튬인산철 양극과 결합해 전고체 배터리를 제조했다.

이렇게 만들어진 전고체 배터리는 기존의 가연성 액체 전해질을 사용하는 리튬이온 배터리와 비교해 성능이 떨어지지 않았다. 또한 음극으로부터의 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제해 충·방전 반복 시 수명이 떨어지는 문제를 해결할 뿐 아니라, 온도 안정성을 높여 배터리 화재의 위험성을 대폭 낮췄다.

박찬진 교수는 “안정성이 높은 복합 고체전해질이 적용된 전고체 배터리는 안전성이 관건인 전기차를 비롯해 ESS, 모바일기기용 배터리 개발에 중요한 기반이 될 것”이라고 전했다.

한편, 박찬진 교수팀의 이번 연구 결과는 엘스비어에서 발간하는 최상위 학술지인 Energy Storage Materials에 게재됐다.