화재·폭발 위험 없는 세계 최고 성능 '복합고체전해질' 개발

대구경북과학기술원

안전하고 세계최고성능 복합고체전해질 모사도.

[아시아경제 김봉수 기자] 폭발이나 화재 염려가 없고 구부러지며, 세계 최고 성능을 가진 복합 고체 전해질이 개발돼 웨어러블 디바이스 전원용 배터리의 성능과 안전성이 대폭 개선될 전망이다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 김재현 에너지융합연구부 책임연구원 연구팀이 이같은 복합고체전해질을 제작했다고 20일 밝혔다. 전해질은 물 등에 녹아서 이온화하여 전기를 전달하는 물질로 배터리의 4대 핵심소재 중 하나다. 현재는 액체 전해질이 널리 쓰이는데, 분리막으로 음극과 양극을 나누는 구조다. 이 때문에 변형이나 외부 충격으로 분리막이 훼손되면 액체 전해질이 흐르고, 양극 물질이 만나 기화되면서 과열 또는 폭발사고로 이어지는 위험성이 존재한다.

액체전해질을 고체전해질로 대체하게 되면 화재 및 폭발의 위험성을 방지할 수 있게 된다. 또 분리막도 필요 없어지고 전체적인 배터리의 부피도 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나 고체전해질은 액체에 비해 전도도가 훨씬 떨어져 이를 보완하기 위한 연구가 필요한 실정이었다.

연구팀은 폴리머에 SiO2와 Al2O3로 주 골격을 형성하는 다공성 YNa 제올라이트와 리튬염을 혼합한 새로운 복합고체전해질을 제조했다. 기존 제올라이트는 폴리머에 균일하게 분산되지 않는 단점이 있었다. 연구팀은 리튬염의 농도를 조절함으로써 제올라이트의 균일한 분산 및 리튬이온배터리의 리튬 메탈 음극 계면에서 리튬 덴드라이트의 형성을 억제할 수 있는 기술을 개발하는데 성공했다. 기존 폴리머 고체 전해질의 낮은 기계적 강도와 산화물 또는 황화물 고체전해질의 유연하지 못하다는 단점을 모두 극복할 수 있다. 비표면적이 넓은 다공성 YNa 제올라이트는 효과적인 리튬이온 전달을 가능하게 해 0.84의 세계적 수준의 리튬이온 전달율을 보였으며, 60 °C에서 1.66 × 10-2 Scm-1의 이온전도도와 100 사이클에서 95%이상의 용량 유지율을 보였다. 또한, 리튬덴드라이트 형성이 없기 때문에 리튬 증착과 탈착 사이클 테스트에서도 200 μA/cm2의 높은 전류밀도에서 1500 사이클 이상 안정적으로 구동되는 특성을 보였다.

김 책임연구원은 “제올라이트 기반의 복합고체전해질 연구는 거의 없었으나 수많은 시행착오에도 포기하지 않고 계속 연구한 결과 세계 최고 성능의 고체전해질을 제작할 수 있었다”며 “본 고체전해질은 구부려질 수 있기 때문에 향후 폭발이나 화재의 염려가 없는 웨어러블 디바이스 전원용 배터리 구현에 매우 유용하게 사용될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 'Journal of Materials Chemistry A'에 지난 10월29일 표지 논문으로 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr