[요약]
- DGIST는 경북대 신소재공학부와 공동연구를 통해 배터리 크기를 줄이면서도 안정성을 높인 고체 전해질 개발에 성공
- 고체 전해질로 만든 리튬금속전지는 수백 회의 충전·방전 후에도 처음과 동일한 성능 유지
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DGIST-경북대 공동연구팀은 높은 이온전도도와 낮은 화재 위험성을 겸비한 고분자계 고체 전해질 개발에 성공하였으며, 이를 바탕으로 다양한 활용도가 기대되는 새로운 리튬금속전지를 제작
- 대구경북과학기술원(이하 DGIST) 에너지융합연구부 및 경북대 신소재공학부 공동연구팀이 고체가소제 기반 고체 전해질을 활용한 새 리튬금속전지를 개발
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- 공동연구팀이 제작한 리튬금속전지는 기존 형태의 고체 고분자 전해질을 활용한 전지의 단점을 극복한 것으로 새로이 고안한 고체 전해질을 해당 전지 제작에 활용한 것이 핵심
- 이를 통해 기존 고체 고분자 전해질의 한계를 극복하고 리튬금속전지의 안정성을 높이고자 함
- 공동연구팀이 제작한 리튬금속전지는 기존 형태의 고체 고분자 전해질을 활용한 전지의 단점을 극복한 것으로 새로이 고안한 고체 전해질을 해당 전지 제작에 활용한 것이 핵심
- 통상적으로 고체 전해질을 이용해 제작된 배터리는 외부 충격 및 변형에 상대적으로 강하고 액체 전해질을 활용한 배터리 대비 배터리 내부의 분리막이 필요치 않아 부피 절감에 유리
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- 액체 전해질이 사용된 배터리의 경우 외부 충격 혹은 변형이 가해졌을 때 분리막이 손상되면서 화재가 발생하는데, 충전 및 방전이 반복됨에 따라 리튬이 나뭇가지 형태로 쌓이는 ‘덴드라이트(Dendrite)’ 현상이 배터리 폭발 및 화재의 주요 원인으로 거론
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- 연구진은 이러한 문제점에 착안해 기존 연구와 차별화된 새로운 고체 전해질 기반의 리튬금속전지 개발에 착수
- 고체 전해질은 차세대 배터리 기술의 핵심으로 거론되는 것으로 인화성 물질을 포함하지 않아 화재 위험이 비교적 낮고 외부 충격으로 인한 누출 위험도 없는 것이 장점
- 다만 고분자 기반의 고체 전해질의 경우 낮은 이온전도도로 인해 에너지 효율이 낮다는 점이 지적되어 왔기 때문에, 에너지 효율 향상을 위해 전기화학적으로 안정성을 높이는 것이 풀어야 할 과제 중 하나
- 연구진은 이러한 문제점에 착안해 기존 연구와 차별화된 새로운 고체 전해질 기반의 리튬금속전지 개발에 착수
- 연구진은 고체 고분자 전해질에 BMI-Br(1-butyl-2,3-dimethylimidazolium bromide)이라는 고체가소제를 첨가하는 방식으로 새로운 복합고체 전해질을 만들고 이를 바탕으로 새 리튬금속전지를 제작
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- 연구진이 고안한 고체가소제 기반의 복합고체 전해질은 리튬염과 활발한 음이온 교환을 통해 높은 이온전도도를 보임
- 해당 물질은 기존 고체 전해질이 갖고 있던 배터리 내부 리튬 이온 이동 속도 저하 및 낮은 에너지 효율, 덴드라이트 축적 문제 등을 극복
- 연구진이 고안한 고체가소제 기반의 복합고체 전해질은 리튬염과 활발한 음이온 교환을 통해 높은 이온전도도를 보임
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- 이어 연구진은 새로이 개발한 복합고체 전해질을 활용하여 리튬금속전지를 제작했으며 해당 전지는 안정성과 함께 높은 성능을 보임
- 새 리튬금속전지는 높은 전류밀도에도 불구하고 500회 사이클을 넘어서도 안정적으로 작동했으며, 300회의 충전 및 방전 이후에도 99.7%의 높은 용량 유지율을 나타냄
- 이어 연구진은 새로이 개발한 복합고체 전해질을 활용하여 리튬금속전지를 제작했으며 해당 전지는 안정성과 함께 높은 성능을 보임
- 이번 연구는 고체 전해질 개발과 관련한 기존의 다양한 연구 대비 고체 전해질에 가소제를 첨가하는 방식을 연구했다는 점이 특징적
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- 연구진은 이번 연구를 통해 높은 안정성과 용량 유지율을 보유한 고체 전해질을 개발함으로써 리튬금속전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있었다고 밝히고 앞으로도 안정적이면서도 효율성 높은 배터리 개발을 위해 노력할 것이라고 언급
[시사점]
- DGIST 및 경북대 공동연구팀은 이번 연구를 통해 실험실 환경에서 새로운 리튬금속전지의 높은 성능을 확보했으며 향후 안정화 테스트 등을 거쳐 상용화 가능성을 타진해 볼 것으로 전망
- 특히 이번에 개발된 복합고체 전해질은 고체가소제의 영향으로 인해 구부러질 수 있는 등 높은 유연성을 가짐으로써 상용화 시 웨어러블 기기의 배터리 등에도 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대
[출처]
- 조선비즈, 화재 걱정 없는 유연한 전고체 배터리 나온다, 2023.11.22.
- 매일신문, DGIST, 화재·폭발 걱정 없는 고체가소제 기반 고체전해질 개발, 2023.11.22.
