[요약]
- 고체 고분자 전해질은 액체 전해질 대비 우수한 안전성과 가공성으로 학계와 산업계로부터 많은 관심을 받아 왔으나 진정한 고체 전해질과는 거리가 먼 연구결과들이 발표되는 상황
- 중국 샤먼 대학의 Quanfeng Dong 교수와 연구진은 1,3-디옥솔란(DOL)과 펜타에리트리톨 글리시딜 에테르(PGE)로 구성된 가교(cross-linked) 폴리머를 합성하여 300회의 충·방전 후에도 90% 이상의 성능 유지가 가능한 고체 전해질을 개발
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고체 고분자 전해질은 우수한 안전성과 가공성 등의 장점이 있지만 낮은 이온 전도도가 실용화에 문제점으로 제기되어 왔으나, 중국 샤먼 대학 연구진이 1,3-디옥솔란(DOL)과 펜타에리트리톨 글리시딜 에테르(PGE)로 구성된 가교 폴리머로부터 전기적인 성질이 개선된 고체 전해질을 개발
- 고체 고분자 전해질은 우수한 안전성과 가공성으로 학계·산업계로부터 많은 관심을 받아 왔으며 차세대, 고안전성, 고에너지 밀도, 저비용 에너지 저장 시스템(ESS)의 요구사항을 충족할 수 있는 잠재적인 재료로 평가
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- 지금까지 배터리에는 액체 상태의 전해질이 주로 사용되고 있었으나 고체 전해질을 찾기 위한 연구도 지속적으로 진행
- Polyethylene oxide(PEO) 기반의 고체 고분자 전해질은 기존의 리튬이온 배터리와 달리 배터리 손상 시 화재나 폭발 위험성이 적은 장점이 있으나, 상온에서 이온 전도도가 너무 낮아 실용성에 문제
- 문제 해결을 위해 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 카보네이트, 폴리에틸렌이민, 폴리아크릴로니트릴 등을 기반으로 하는 고분자 전해질에 대한 연구가 진행 중
- 그러나 이러한 폴리머들은 우수한 리튬염 해리 성능 달성과 배터리에 실제 적용을 위해 다른 물질과 혼합해야 하므로 진정한 폴리머 전해질이라고 할 수 없었던 상황
- 또한 상온에서의 전기화학적 성능 향상을 위해 가소제, 활성 필러, 작용기 그래프팅(grafting functional groups), 도핑 등 많은 연구가 진행 중이지만, 이는 전고체(All-solid-state) 범위에서 벗어난 연구에 해당
- 최근에는 상온에서 액체 전해질과 유사한 Li+ 이온 전도도 달성을 위해 현장중합(in-situ- polymerization)을 사용하는 방법을 연구 중이지만 중합생성물이 대부분 고체가 아닌 겔 상태로 진정한 고체 전해질과는 다소 거리가 있는 연구
- 지금까지 배터리에는 액체 상태의 전해질이 주로 사용되고 있었으나 고체 전해질을 찾기 위한 연구도 지속적으로 진행
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- 이에 중국 샤먼 대학의 Quanfeng Dong 교수와 연구진은 1,3-디옥솔란(DOL)과 펜타에리트리톨 글리시딜 에테르(PGE)로 구성된 가교 폴리머로부터 고체 전해질을 설계하고 합성
- 이번 연구에서 Li+ 이동성이 높은 고분자 고체 전해질이 현장중합 방식으로 설계되어, 선형 폴리(1,3-디옥솔란)사슬이 가교 중심의 PGE와 연결되어 폴리-PGE-1,3-디옥솔란을 생성
- 이 물질은 독특한 3D 구조와 풍부한 산소 함유 체인구조로 인해 리튬 bis(트리플루오로메틸술포닐)이미드(LiTFSI) 염이 PEO보다 더 잘 해리될 수 있는 3차원 메쉬 구조를 갖는 가교형(cross-linked) 고분자 고체 전해질
- 이 고유 고분자 전해질(intrinsic polymer electrolyte, IPE)은 상온에서 PEO보다 훨씬 높은 최대 0.49mS /cm의 이온 전도도를 나타내고, Li+ 이동 수치(lithium ion migration numbers)는 0.85를 달성
- 또한 LFP 배터리에 적용하여 0.5C 전류 밀도(저부하, ~2 mg/cm2)에서 300사이클 후 90% 이상의 성능 유지와 0.2C전류 밀도에서 160 mAh/g의 방전 용량(상용 가능한 고부하, 약 8 mg/cm2)을 달성
- 따라서 복잡한 3D 가교 네트워크 구조의 설계가 고성능 및 장주기 전고체 리튬 배터리를 개발하기 위한 효과적인 전략임을 입증하고, 해당 소재가 차세대 고에너지 밀도 전고체 리튬 기반 배터리의 전해질로 선택될 수 있을 것으로 전망
- 이에 중국 샤먼 대학의 Quanfeng Dong 교수와 연구진은 1,3-디옥솔란(DOL)과 펜타에리트리톨 글리시딜 에테르(PGE)로 구성된 가교 폴리머로부터 고체 전해질을 설계하고 합성
[시사점]
- 기존 액체 전해질 대비 우수한 안전성과 가공성을 갖지만 이온 전도도가 낮은 고체 전해질의 성능을 개선하여 사용하려는 다양한 연구가 진행 중이지만 지금까지는 진정한 고체 전해질과는 거리가 먼 연구결과들이 발표되는 상황
- 이에 중국 샤먼 대학의 Quanfeng Dong 교수와 연구진은 1,3-디옥솔란(DOL)과 펜타에리트리톨 글리시딜 에테르(PGE)로 구성된 가교 폴리머로부터 고체 전해질을 합성하는 연구를 진행
- 연구결과 상온에서 PEO보다 훨씬 높은 최대 0.49mS/cm의 이온 전도도를 나타내고, LFP 배터리에 적용하여, 0.5C 전류밀도(저부하, ~2 mg/cm2)에서 300사이클 후 90% 이상의 성능 유지가 가능한 고체 전해질을 개발
- 연구진은 복잡한 3D 가교 네트워크 구조의 설계가 고성능 및 장주기 전고체 리튬 배터리(ASSLBs)를 개발하기 위한 효과적인 전략이며, 해당 소재가 차세대 고에너지 밀도 전고체 리튬 기반 배터리의 전해질로 선택될 수 있을 것으로 전망
[출처]
- TechXplore, A solid battery electrolyte with high performance, 2023.9.6.
- PNAS Nexus, “An intrinsic polymer electrolyte via in situ cross-linked for solid lithium-based batteries with high performance’, 2023.9.5.
