외부 충격이나 변형으로 분리막이 손상될 경우 발생할 수 있는 화재 및 폭발의 위험성을 방지할 뿐만 아니라 기존 고체 고분자 전해질의 단점을 극복해 안전한 새로운 리튬메탈배터리가 국내 연구진에 의해 개발됐다.
DGIST(대구경북과학기술원, 총장 국양)은 22일 "에너지융합연구부 김재현 박사 연구팀이 경북대학교 전상은 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 고체 전해질을 사용한 새로운 리튬메탈배터리를 개발했다"고 밝혔다.
이어 DGIST는 "배터리의 안정성이 향상되었을 뿐 아니라 전체적인 배터리 부피를 줄이고 분리막을 필요로 하지 않아 다양한 분야로의 활용이 기대된다"고 알렸다.
우리가 통상적으로 널리 쓰는 배터리의 종류인 기존 액체 전해질은 외부 충격이나 변형으로 분리막이 손상되면 화재 및 폭발의 위험이 있었다. 특히, 충·방전을 반복적으로 지속하면서 리튬이 나뭇가지 모양으로 성장하는 '덴드라이트' 현상이 발생해 폭발이나 화재를 발생시킬 우려가 있었다.
따라서 이러한 액체전해질을 고체전해질로 대체하게 되면, 화재 및 폭발의 위험성을 방지할 수 있다. 또한 분리막도 필요 없게 되고, 전체적인 배터리의 부피도 줄일 수 있는 장점이 있다고 한다.
높은 이온전도도와 난연 특성 동시에 갖는 '고분자계 고체전해질' 개발
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| ▲ 리튬 이온의 이동을 향상시키고 균일한 SEI층을 형성하는 고체가소제 기반의 복합고체전해질. 기존의 고체 고분자 전해질(SPE)의 경우 PEO 매트릭스만으로 이동하여 느린 리튬 이온 이동 속도를 보이며 리튬 수지상의 성장을 억제하지 못함(왼쪽 그림). 고체가소제 기반 복합고체전해질(BMI-Br-CPE)의 경우 LiTFSI와 BMI-Br의 반응으로 형성된 BMI-TFSI와 LiBr로 인해 리튬 이온이 활발하게 이동하며 리튬 수지상의 성장을 억제하여 균일한 SEI층을 형성함(오른쪽 그림). // BMI-Br: 고체가소제(1-butyl-2,3-dimethylimidazolium bromide) / SPE: 고체 고분자 전해질 / BMI-Br-CPE: 고체가소제 기반 복합고체전해질 / SEI : 음극 표면의 고체막(Solid electrolyte interphase) |
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이에 김재현 박사 연구팀은 고체가소제를 고체 고분자 전해질에 첨가해 기존 고체 고분자 전해질의 단점을 극복하고 안전한 전고체 리튬메탈배터리를 제작하는데 성공했다. 이 배터리는 리튬 메탈 음극 계면에서 리튬 덴드라이트의 형성을 억제해 안정성을 향상시킬 수 있었다.
김재현 박사 연구팀은 "기존에 널리 사용되는 이온성 액체의 경우 리튬 덴드라이트로 인한 단락을 예방하지 못한다는 단점이 있지만, 고체가소제는 이러한 단점을 극복할 수 있다"면서 "고체 가소제로 BMI-Br(1-butyl-2,3-dimethylimidazolium bromide)를 사용해 고체 고분자 전해질의 이온전도도와 전기화학적 안전성을 향상시켰다"고 강조헀다.
이처럼 연구팀이 개발한 복합 고체 전해질은 기존 고체 고분자 전해질의 단점을 극복하면서, 높은 이온전도도와 화제를 제어하는 난연 특성까지 갖추게 됐고, 배터리는 높은 에너지 저장 용량을 유지하면서도 안정적으로 작동하게 됐다.
무엇보다 이 고체 전해질은 구부러질 수 있기 때문에 향후 폭발이나 화재의 염려가 없는 웨어러블 디바이스 전원용 배터리 구현에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 보인다.
김재현 박사는 이번 연구의 성과에 대해 "이온성 액체인 'Ionic liquid'를 활용한 기존 논문은 무수하나, 이온성 액체의 단점인 기계적 강도를 극복할 수 있는 고체가소제는 거의 연구되지 않았다"면서 "본 연구실에서 고체가소제를 첨가하여 세계 최고 성능의 고체 고분자 전해질을 제작했다"고 말했다.
이어 그는 "폴리머 기반의 고체전해질의 경우 열악한 체인 운동으로 인한 낮은 이온전도도가 매우 큰 이슈인데, 본 개발된 복합고체전해질을 사용할 경우 이온전도도를 크게 향상시킬 수 있었다"며 "이번 연구에서 안정성을 높이고 용량 유지율을 향상시킨 고체 전해질을 개발함으로써 리튬메탈배터리의 성능을 크게 향상시켰다"고 강조했다.
덧붙여 김 박사는 "현재 실험실 수준에서 우수한 성능을 확보하였고, 상용화 수준의 안정화 테스트 등을 향후 검증한다면 상용화의 가능성도 있을 것으로 판단된다"면서 "향후에도 안정적이고 효율적인 배터리 개발을 위해 노력하겠다"고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리 사업(단장 한양대 이정호 교수) 등의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 Willy 출판사의 학술지 <Advanced energy materials>의 표지논문으로 게재됐다.
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| ▲ Advanced energy materials의 북커버 사진 |
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