KAIST-조지아공대, 세계 최고 성능 전고체 전지 구현 성공
KAIST-조지아공대, 세계 최고 성능 전고체 전지 구현 성공
  • 정태경 기자
  • 승인 2022.01.13 12:53
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왼쪽부터 이승우 교수, 김범준 교수, 한정훈 연구원, 이승훈 연구원 (사진=KAIST)
왼쪽부터 이승우 교수, 김범준 교수, 한정훈 연구원, 이승훈 연구원 (사진=KAIST)

KAIST는 생명화학공학과 김범준 교수 연구팀이 미국 조지아공대(Georgia Tech) 이승우 교수팀과 공동연구를 통해 새로운 개념의 엘라스토머 고분자 전해질을 개발하고 이를 통해 세계 최고성능의 전고체전지를 구현했다고 13일 밝혔다.

KAIST 한정훈 및 조지아공대 이승훈 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처(Nature)' 1월 13일에 출판됐다. (논문명: Elastomeric electrolytes for high-energy solid-state lithium batteries).

전고체 리튬메탈전지(all-solid-state Li-metal battery)는 이차전지에 사용되는 휘발성이 높은 액체전해질을 고체로 대체해 화재 및 자동차 안전사고를 막을 수 있는 미래기술로서, 현재 상용화된 리튬이온전지(Li-ion battery)에 비해 에너지밀도를 획기적으로 향상해 자동차 주행거리 확보 및 안전 문제를 해결할 수 있는 `꿈의 배터리 기술'이다.

공동 연구팀은 상온에서 리튬(Li) 이온의 전도도가 탁월하며, 기계적 신축성이 모두 확보된 엘라스토머(고무) 형태의 고분자 전해질을 개발했으며, 이를 전고체전지에 적용해 410Wh/kg의 세계 최고성능을 보이는 전고체 리튬 메탈전지를 구현했다.

이러한 기술을 도입하면 현재 한번 충전으로 800 km까지 주행 가능한 전기자동차의 구현(현재 500 km수준)이 가능할 것으로 보이며, 기존의 액체 전해질을 적용한 리튬이온전지의 안정성을 획기적으로 향상할 것으로 기대된다.

고체 전해질은 크게 고분자 기반, 산화물 기반, 황화물 기반의 전해질로 나뉘는데, 현재 황화물 기반에서 가장 활발한 연구가 되고 있으나 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다. 고분자 기반 고체전해질은 원료가 매우 싸고, 저온 대량생산 공정, 가벼움의 장점을 갖고 있지만, 상온에서 낮은 이온전도도를 가지는 문제점이 있으며, 전지 충‧방전 시 안정성이 떨어진다.

연구팀은 고무처럼 신축성이 탁월한 엘라스토머 내부에 리튬 이온전도도가 매우 높은 플라스틱 결정 물질을 3차원적으로 연결한 엘라스토머 고분자 고체전해질을 개발했다.

연구팀이 개발한 전해질은 기존에 대표적인 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 기반의 고분자 전해질에 비해 100배 정도 향상된 10-3 S/cm의 이온전도도를 가진다.

또한, 고무처럼 신축성이 우수한 전해질은 전지 충‧방전 시 안정성에 가장 큰 문제가 되는 리튬 덴드라이트(dendrite)의 성장을 억제해, 탁월한 전지 성능 및 안정성을 확보했다.

개발된 고분자 전해질은 얇은 리튬금속 음극과 니켈 리치 양극(NCM-Ni83)으로 구성된 전고체전지에서 4.5V 이상의 고전압에서도 안정적인 구동을 보였으며, 410Wh/kg 이상의 세계 최고의 에너지밀도를 보였다.

SK이노베이션의 최경환 차세대 배터리 센터장은 “전고체 배터리는 전기차주행거리와 안전성을 획기적으로 늘릴 수 있다”며 “전고체 배터리 상용화 여부는 전기차 시장의 판도를 가를 중요한 과제로, 김범준/이승우 교수 연구팀이 개발한 엘라스토머 전해질은 기존의 고분자계 고체전해질의 한계를 해결한 획기적인 결과”라고 말했다.

이차전지 분야의 권위자인 서울대 강기석 교수는 “전고체 이차전지에 대한 세계적인 개발 경쟁이 치열한 가운데, 기존 고체전해질과 차별되는 엘라스토머 기반의 신규 고체전해질 개발은 이 분야의 발전에 새로운 가능성을 제시할 것이다.”라고 말했다.

KAIST 김범준 교수는 "이번 연구를 통해 미래의 배터리라고 불리는 세계 최고 성능 전고체전지를 개발했을 뿐만 아니라 엘라스토머 전해질이라는 기존과는 완전히 다른 새로운 종류의 고체전해질을 개발해 소재 원천 기술을 확보했다는 것에 큰 의의가 있다ˮ라고 밝혔으며, 미국 조지아공대 이승우 교수는 "이번 연구를 통해 개발한 엘라스토머 전해질은 기존의 고체전해질이 가진 문제점을 획기적으로 개선하고, 제조 공정이 매우 간단해, 전고체전지의 전해질의 게임체인저가 될 것으로 기대한다ˮ라고 밝혔다.

또한 이번 연구에는 한국연구재단의 중견도약연구사업, 미래소재디스커버리 사업, 기초연구실지원사업의 지원을 받아 수행되었으며, 한국화학연구원의 김병각 박사, 한국에너지기술연구원의 정규남 박사가 공동연구에 참여했다.

전기자동차의 상용화에 의해 리튬 이차전지에 대한 수요는 폭발적으로 증가하고 있으며, 주행거리 및 안전문제를 향상시킬 수 있는 차세대 이차전지가 주목을 받고 있다.

전고체 리튬메탈전지(all-solid-state Li-metal battery)는 이차전지의 리튬메탈 음극과 양극 사이에 있는 전해질을 화재 위험성이 높은 액체에서 고체로 대체하는 것으로, 현재 사용되고 있는 리튬이온전지에 비해서 대용량 충전이 가능하고 자동차 주행 안전성을 획기적으로 높일 수 있어서 미래 배터리 시장의 “게임체인저”로 기대되고 있다. 현재 일본 도요타, 삼성 SDI 등이 2025-2028년 상용화를 목표로 연구를 진행하고 있는데, 현재 고체전해질의 낮은 이온 전도도 및 고체 전해질의 높은 가격이 상업화를 늦출 수 있는 가장 중요한 요인이다.

전고체전지용 고체 전해질은 크게 고분자 기반, 산화물 기반, 황화물 기반의 전해질로 나뉘는데, 현재 일본 도요타, 삼성 SDI 등은 상대적으로 이온전도도가 높은 황화물 기반의 전해질 연구를 진행하고 있는데, 그 가격이 매우 높다는 단점을 가지고 있다 (예: 황화리튬 12000달러/kg).

반면에 고분자 기반 고체전해질은 값싼 원료, 저온/저가공정, 가벼움의 장점을 가지고 있지만, 상온에서 상대적으로 매우 낮은 이온전도도를 가지는 문제점을 가지고 있으며, 전지 충방전시 안정성이 떨어진다.

현재 가장 대표적으로 사용되는 고분자 전해질은 poly(ethyleneoxide) (PEO) 고분자 기반의 전해질로 많은 연구가 이루어졌지만, 여전히 낮은 이온전도도 (상온 10-5 S/cm이하) 및 낮은 기계적 내구성으로 상용화에 거리가 매우 멀다.

따라서, 본 연구에서는 새로운 개념의 엘라스토머 기반 고분자 전해질을 개발하여 액체 전해질 수준의 높은 이온전도도와 매우 높은 기계적 신축성을 바탕으로 전지의 충방전시 매우 높은 안정성을 보이는 세계 최고성능의 전고체전지를 구현했다.

엘라스토머(고무)는 잘 늘어나고 튼튼한 특성을 가지고 있지만 매우 낮은 이온전도도를 가지고 있으며, 이는 고분자 전해질로 개발하는데 제한이 되었다. 이온전도성이 높은 엘라스토머 기반 고분자 전해질을 구현하기 위해서, 본 연구팀은 엘라스토머 내부에 이온전도성이 높은 플라스틱 결정을 3차원적으로 연결하였다.

3차원적으로 연결된 구조는 이온전도성이 낮은 엘라스토머 내부에서 플라스틱 결정의 높은 이온전도성을 유지하기 위한 효율적인 구조이다.

연구팀이 개발한 새로운 엘라스토머 기반 고분자 전해질은 기존의 PEO기반의 고분자전해질에 비해 100배정도 향상된 10-3 S/cm의 이온전도도를 가질뿐 아니라, 300% 이상 늘어날 수 있는 신축성을 바탕으로 전지 충방전시 안정성에 가장 큰 문제를 일으키는 Li 덴드라이트의 성장을 억제하여, 탁월한 전지 충방전 안정성을 얻을 수 있었다.

개발된 고분자 전해질은 얇은 리튬금속 음극과 니켈 리치 양극으로 구성된 전고체전지에서 4.5V 이상의 매우 높은 전압에서도 안정적인 구동을 보였으며, 410Wh/kg의 세계 최고성능의 에너지밀도를 가지는 전고체전지를 구현했다.

전고체전지는 전기자동차의 안전성 및 주행거리를 혁신적으로 향상시킬 수 있는 차세대 이차전지이다. 본 연구에서 개발된 새로운 형태의 엘라스토머 기반 고분자 전해질은 전고체전지의 수명과 에너지밀도를 높일 수 있는 혁신적인 기술이다.

개발된 전해질을 이용하여 410Wh/kg의 세계 최고성능을 보이는 전고체 리튬메탈전지 (all-solid state Li metal battery)를 구현하였고, 이러한 기술을 도입하면 현재 한번 충전으로 800 km까지 주행가능한 전기자동차의 구현 (현재 500 km수준)이 가능할 것으로 보이며, 전기자동차 배터리의 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 break-through 기술로서, 전고체전지의 상용화를 앞당길 것으로 기대한다.

[신아일보] 정태경 기자

 

 

 

taegyeong3975@shinailbo.co.kr


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