기초과학연-울산과학원, 산화물 기반 전고체배터리 개발

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 상용화가 가능한 수준의 높은 이온전도성과 유연성을 지닌 산화물 기반 전고체배터리를 개발했다.

향후 상온 충전이 가능한 장수명 전고체전지 개발에 활용 가능해 전기차(EV), 에너지저장장치(ESS) 등 산업계에 청신호가 켜졌다.

한국기초과학지원연구원(KBSI) 소재분석연구부 김현우 박사와 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 김영식 교수 연구팀은 LATP 고체 전해질 기반의 유·무기 복합전해질막을 이용, 고유의 고이온 전도성을 유지하면서도 기계적 강도와 유연성을 개선하는 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

LATP는 NASICON 결정 구조를 띤 산화물 기반 고체전해질의 대표 소재로, 합성의 용이함과 이온전도도 및 수분에 대한 안정성이 우수하다.

에너지밀도가 높은 리튬이온전지는 전기차 등 다양한 분야에서 에너지 저장장치로 쓰이고 있다.

하지만 유기 액체 전해질 기반의 리튬이온전지는 누액과 열에 의한 화학 반응으로 인해 화재 사고 위험이 도사리고 있다.

반면 전고체 전지는 에너지밀도가 높으면서 열적 안정성이 우수한 고체를 전해질로 사용해 안전성을 확보할 수 있어 차세대 이차전지로 평가된다.

연구팀은 고온에서 완전히 소멸해 버리는 카본 재질의 ‘희생 템플레이트’를 이용한 합성 기술을 개발했다.

이 템플레이트는 모양의 변형이 가능해 필요에 따라 원하는 디자인으로 고체전해질막을 만들 수 있다.

연구팀은 이 같이 제작한 LATP 소결체에 기계적 강도와 유연성을 높이기 위한 PEO(Poly ethylene oxide) 계열의 고분자를 첨가해 고이온 전도성은 물론 자유 변형이 가능하면서도 얇은 두께의 유·무기 복합전해질막을 개발했다.

이 전해질막은 테스트 결과 50회 이상의 굽힘 실험에도 기계적 강도는 물론 상용화가 가능한 수준인 10-4 S/cm 이상의 높은 이온전도도를 유지했다.

또 고에너지 셀의 성능을 발휘할 수 있도록 다수의 셀들을 직렬로 연결하는 고전압 적층형 셀 특성을 확보함으로써 전기차용으로도 상용화가 가능한 수준의 전고체 전지 개발에 적용 가능성이 확인됐다.

김현우 박사는 “이번 연구는 희생 템플레이트를 이용해 원하는 형태의 고체전해질을 디자인하면서 기존 산화물계 소재와 고분자 소재의 장점을 동시에 갖는 복합전해질막에 대한 원천기술을 확보한 점에서 의미가 크다”며 “앞으로도 현재 수준을 뛰어넘는 고성능의 전고체 전지가 만들어질 수 있도록 여러 종류의 고체전해질을 조합하거나 최적 조건의 복합소재 디자인 개량에 대한 후속연구를 이어 나갈 것”이라고 말했다.

이번 연구에서 KBSI 김현우 박사 연구팀은 복합전해질막의 설계, 제작, 특성 분석 및 적층형 전고체전지 설계를 수행했고, UNIST 김영식 교수 연구팀은 소재 및 전지의 전기화학적 성능 평가를 담당했다.

KBSI 소재분석연구부 운영사업, 산업자원통상부의 에너지기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 결과는 재료 분야 저명 국제학술지 ‘영국왕립화학회’에 게재됐다.

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