대구경북과학기술원(DGIST·디지스트)은 에너지융합연구부 김재현 박사 연구팀이 경북대학교 전상은 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 고체 전해질을 사용한 새로운 리튬메탈배터리를 개발했다고 22일 밝혔다.
배터리의 안정성이 향상됐을 뿐만 아니라 전체적인 배터리 부피를 줄이고 분리막을 필요로 하지 않아 다양한 분야로의 활용이 기대된다.
통상적으로 널리 쓰이는 배터리의 종류인 기존 액체 전해질은 외부 충격이나 변형으로 분리막이 손상돼 화재나 폭발의 위험이 있었다. 특히 충·방전을 지속하면서 리튬이 나뭇가지 모양으로 성장하는 ‘덴드라이트’ 현상이 발생해 폭발이나 화재를 야기한다. 이러한 액체전해질을 고체전해질로 대체하게 되면 화재 및 폭발의 위험성을 방지할 수 있다. 또 분리막도 필요 없게 되고 전체적인 배터리의 부피도 줄일 수 있는 장점이 있다.
이에 에너지융합연구부 김재현 박사 연구팀은 고체가소제를 고체 고분자 전해질에 첨가해 기존 고체 고분자 전해질의 단점을 극복하고 안전한 전고체 리튬메탈배터리를 제작했다. 이 배터리는 리튬 메탈 음극 계면에서 리튬 덴드라이트의 형성을 억제해 안정성이 향상된다.
기존에 널리 사용되는 이온성 액체의 경우 리튬 덴드라이트로 인한 단락을 예방하지 못한다는 단점이 있다. 하지만 고체가소제는 이러한 단점을 극복할 수 있다. 김재현 박사 연구팀은 고체 고분자 전해질의 이온전도도와 전기화학적 안전성을 향상시켰다.
연구팀이 개발한 복합 고체 전해질은 기존 고체 고분자 전해질의 단점을 극복하면서 높은 이온전도도와 화제를 제어하는 난연 특성까지 갖추고 있다. 이에 배터리는 높은 에너지 저장 용량을 유지하면서도 안정적으로 작동할 수 있다. 특히 본 고체 전해질은 구부러질 수 있기 때문에 향후 폭발이나 화재의 염려가 없는 웨어러블 디바이스 전원용 배터리 구현에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
디지스트 에너지융합연구부 김재현 박사는 “이번 연구에서 안정성을 높이고 용량 유지율을 향상시킨 고체 전해질을 개발함으로써 리튬메탈배터리의 성능을 크게 향상시켰다”며 “향후에도 안정적이고 효율적인 배터리 개발을 위해 노력하겠다”고 밝혔다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리 사업(단장 한양대 이정호 교수) 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 Willy 출판사의 학술지(Advanced energy materials)의 표지논문으로 게재됐다.
대구=최일영 기자 mc102@kmib.co.kr
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