국내 연구진이 필름 형태 전해질을 ‘쭉 잡아당기는’ 간단한 공정만으로 폭발 없는 배터리인 전고체 배터리의 수명을 늘렸다.
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 강석주 교수와 숙명여자대학교 주세훈 교수 공동연구팀은 오래가는 전고체배터리를 만들 수 있는 필름형 전해질을 새롭게 개발했다고 17일 밝혔다.
전해질은 배터리 음극과 양극 사이에서 리튬이온이 오가는 통로 역할을 하는 소재다. 현재 상용 전기차나 대용량 에너지저장장치 배터리의 경우 전해질로 인화성 액체를 쓴다. 이를 고체로 바꾼 고분자 전고체 배터리는 폭발과 화재 위험은 낮지만, 리튬이온 이동성이 떨어지는 탓에 충·방전을 반복할수록 용량이 줄어드는 문제가 있었다.
연구팀은 리튬이온 이동성을 크게 개선한 불소계 고분자(PVDF-TrFE-CFE) 기반 필름형 전해질을 개발했다. 필름형 전해질을 한 방향으로 잡아당기는 ‘일축 연신’공정 덕분이다. 연신공정이 내부의 구불구불한 고분자 사슬을 쭉 풀어줘 리튬이온이 이동하는 통로를 열어주는 원리다. 또 고분자에 배합된 세라믹 가루(LLZTO)가 기계적 유연성과 난연성을 보완하고 이온 전도도를 높인다.
실험 결과, 연신공정을 거친 순수 고분자 전해질의 리튬이온 확산속도는 연신공정을 거치지 않은 순수 고분자 전해질 대비 4.8배 증가했으며, 이온 전도도 또한 72% 증가했다.
이 복합 전해질을 리튬금속–리튬인산철(LFP) 배터리에 적용하자 수명이 증가했다. 복합 전해질을 적용한 배터리는 200회 충·방전 후에도 초기 용량의 약 78%를 유지한 반면, 연신공정을 거치지 않은 순수 고분자 전해질은 200회 충·방전을 반복하자 용량이 초기의 55% 수준으로 감소했다.
난연 성능 검증하는 실험에서도, 복합 전해질에 불이 붙은 지 단 4초 만에 불이 꺼졌다.
제1저자인 나종건 UNIST 연구원은 “내부 구조가 리튬이온 이동을 방해하는 고분자 전해질의 고질적 문제를 ‘연신’이라는 물리적 자극으로 해결할 수 있음을 입증한 연구”라고 말했다.
강석주 교수는 “고분자계 전해질은 무기계 고체 전해질보다 유연하고 대량 생산이 쉬운 소재”라며, “이번에 개발된 방법은 실험에 쓴 불소계 고분자뿐만 아니라 다양한 고분자 전해질에 적용돼 더 안전하고 오래가는 전고체 배터리 상용화를 앞당기는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단(NRF), 울산과학기술원(UNIST), 과학기술정보통신부(InnoCORE)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 에너지 소재 분야의 세계적인 학술지인 ‘에너지 저장 물질(Energy Storage Materials, IF 20.2)’에 10월 31일 온라인 게재됐다.
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