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POSTECH 박문정 교수팀, 이온 전도성과 안정성이 높은 전고체 배터리 개발
심지현 기자 | 승인 2023.09.18 09:52

소방청 발표에 따르면 2022년 작년 한 해 동안 발생한 전기차 화재 발생 건수는 44건이다. 이는 전년도인 2021년에 발생한 24건보다 약 두 배 많으며, 올해 상반기에 발생한 전기차 화재 사고는 이미 40건을 넘었다. 탄소를 배출하지 않는 친환경 전기차, 지구와 운전자 모두 지킬 수 있을까?

전기차에 사용되는 리튬 이온 배터리의 핵심 구성 요소 중 하나는 리튬 이온의 이동을 통해 전하 균형을 맞추는 전해질이다. 그런데, 액체 상태인 전해질은 누출의 위험이 있고, 외부의 충격이나 열에 의한 화학 반응으로 인해 최고 1,000도까지 달아오르는 화재 사고로 이어질 수 있다. 전고체(All-Solid-State) 배터리는 고체 전해질을 사용해 안전성과 에너지 밀도를 높일 수 있는 장점이 있으나 고체 전해질이 액체 전해질에 비해 이온 전도도가 낮아 출력이 낮다는 한계가 있다.

최근 POSTECH(포항공과대학교) 화학과 박문정 교수 · 김보람 박사 연구팀은 크기가 서로 다른 두 종류의 나노 입자가 격자 구조화된 이종 나노입자 전해질을 합성하여 이온 전도성과 기계적 안정성을 동시에 향상시켰다. 또, 이를 핵심 구성품으로 하는 전고체 리튬-황 배터리를 개발했다. 이번 연구는 그 우수성을 인정받아 재료공학 분야 국제 학술지인 ‘머티리얼즈 호라이즌스(Materials Horizons)’ 표지 논문(front cover)으로 게재될 예정이다.

리튬 배터리에 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하면 폭발의 위험은 낮아지지만 낮은 이온 전도성과 충전 속도가 문제다. 이번 연구에서 연구팀은 안과 밖의 분자 구성이 다른 두 코어(core)-쉘(shell) 나노 입자를 조립해 초격자 고체 전해질을 만들었다. 촘촘한 격자 구조로 리튬 이온이 지나가는 통로의 폭을 좁혀 이온이 흩어지지 않고, 잘 이동할 수 있도록 만든 것이다. 그리고, 연구팀은 이 초격자 구조를 조절하여 리튬 이온 수송에 최적화된 고체 전해질을 개발하는 데 성공했다.

실험 결과, 연구팀이 개발한 고체 전해질 기반 전고체 배터리는 섭씨 25도에서 뛰어난 이온 전도도(10-4 S/cm)와 리튬 전이율(0.94)을 기록했다. 또한, 넓은 온도 범위(25~150°C)에서도 높은 탄성계수(0.12 GPa)를 가지며, 최대 6V(볼트)의 전압에서도 작동하는 등 우수한 물리 · 화학적 안정성을 보였다. 무엇보다 200회 이상 사용된 후에도 높은 방전 용량(600mAh/g)을 유지하며 높은 내구성과 효율을 자랑했다. 차세대 전지로 각광받고 있는 리튬-황 배터리의 액체 전해질을 고체 전해질로 교체하여 전고체 배터리의 새로운 패러다임을 제시한 것이다.

연구를 이끈 박문정 교수는 “액체 첨가제를 사용하지 않고 리튬-황 배터리에 고체 전해질을 성공적으로 적용한 것은 이번이 처음”이라며, “이번 연구가 미래의 리튬 배터리 연구에 큰 도움이 되길 바란다”는 기대를 전했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 중견연구자사업과 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐다.

심지현 기자  bodo@emoneynews.co.kr

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교육-과학, 사회부를 담당하고 있습니다.

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