"영하 20도에서도 작동"…DGIST, 화재 위험 낮춘 차세대 배터리 개발[과학을읽다]

난연성 고체 전해질 구현…전기차 겨울철 성능 저하 개선 기대

대구경북과학기술원(DGIST) 연구진이 영하의 저온 환경에서도 안정적으로 작동하면서 화재 위험까지 낮춘 차세대 배터리용 고체 전해질 기술을 개발했다. 전기차 배터리의 겨울철 성능 저하와 화재 위험을 동시에 개선할 수 있는 기술로 주목된다.

(왼쪽 위)고분자 전해질과 불소계 첨가제의 상호작용을 통해 저온에서도 리튬 이온 이동성을 높이는 원리를 나타낸 그림. (왼쪽 아래)불소계 첨가제가 고분자 구조를 안정화해 고전압 환경에서도 전해질 분해를 줄이는 개념도. (오른쪽)난연성과 저온 성능을 동시에 높인 리튬 금속 고체전지 구조와 작동 원리를 보여주는 그림. 연구진 제공

DGIST는 김재현 에너지환경연구부 책임연구원 연구팀이 저온에서도 높은 성능을 유지하는 리튬 금속 전지용 고분자 고체 전해질을 개발했다고 7일 밝혔다. 이번 연구는 이상욱 성균관대학교 교수 연구팀, 전상은 경북대학교 교수와의 공동연구로 진행됐다. 연구 결과는 국제학술지 Energy Storage Materials에 게재됐다.

리튬 금속 전지는 기존 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 높아 차세대 배터리로 꼽히지만, 액체 전해질을 사용할 경우 내부에서 리튬 수지상(덴드라이트)이 자라 화재 위험과 수명 저하 문제가 발생하는 한계가 있었다. 이를 해결하기 위한 고체 전해질 연구가 이어져 왔지만, 기존 고분자 기반 고체 전해질은 저온에서 성능이 급격히 떨어지고 고전압 환경에서 안정성이 낮다는 문제가 있었다.

연구팀은 불소계 첨가제를 활용해 저온에서도 잘 얼지 않고 불에 잘 타지 않는 새로운 고체 전해질 구조를 개발해 이 같은 문제를 개선했다. 고분자의 구조를 안정화해 리튬 이온 이동성을 높이고 저온에서도 안정적으로 작동하도록 만든 것이 핵심이다.

김재현 DGIST 에너지환경연구부 책임연구원(사진 뒷줄 맨 오른쪽) 연구팀.

실제 개발된 전해질은 영하 20도 이하에서도 높은 이온 전도도를 유지했으며, 리튬 덴드라이트 성장을 억제해 배터리 수명 특성도 향상된 것으로 나타났다. 특히 난연 특성을 통해 화재 위험을 낮춘 점도 확인됐다.

연구팀은 또 셀 내부에서 고분자를 형성하는 공정을 적용해 기존 액체 전지 제조 방식과의 호환 가능성도 확인했다고 설명했다. 향후 안정성 검증을 거치면 실제 배터리 상용화 가능성도 기대된다는 평가다.

김재현 책임연구원은 "이번 연구는 저온 환경에서도 안정적으로 작동하면서 안전성까지 확보한 고분자 고체 전해질 기술"이라며 "차세대 고에너지밀도 배터리 개발의 기반 기술이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr