화재·폭발 걱정 없는 세계 최고 수준 고체가소제 기반 고체전해질 개발
(2023-11-24)
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화재·폭발 걱정 없는 세계 최고 수준 고체가소제 기반 고체전해질 개발
□ DGIST(총장 국양) 에너지융합연구부 김재현 박사 연구팀이 경북대학교 전상은 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 고체 전해질을 사용한 새로운 리튬메탈배터리를 개발했다고 22일(수) 밝혔다. 배터리의 안정성이 향상되었을 뿐 아니라 전체적인 배터리 부피를 줄이고 분리막을 필요로 하지 않아 다양한 분야로의 활용이 기대된다.
□ 통상적으로 널리 쓰이는 배터리의 종류인 기존 액체 전해질은 외부 충격이나 변형으로 분리막이 손상되면 화재 및 폭발의 위험이 있었다. 특히, 충·방전을 지속하면서 리튬이 나뭇가지 모양으로 성장하는 ‘덴드라이트’ 현상이 발생해 폭발이나 화재를 야기한다. 이러한 액체전해질을 고체전해질로 대체하게 되면 화재 및 폭발의 위험성을 방지할 수 있게 된다. 또한 분리막도 필요 없게 되고 전체적인 배터리의 부피도 줄일 수 있는 장점이 있다.
□ 이에 에너지융합연구부 김재현 박사 연구팀은 고체가소제를 고체 고분자 전해질에 첨가하여, 기존 고체 고분자 전해질의 단점을 극복하고 안전한 전고체 리튬메탈배터리를 제작했다. 이 배터리는 리튬 메탈 음극 계면에서 리튬 덴드라이트의 형성을 억제하여 안정성이 향상된다.
□ 기존에 널리 사용되는 이온성 액체의 경우 리튬 덴드라이트로 인한 단락을 예방하지 못한다는 단점이 있다. 하지만 고체가소제는 이러한 단점을 극복할 수 있다. 김재현 박사 연구팀은 고체 가소제로 BMI-Br(1-butyl-2,3-dimethylimidazolium bromide)를 사용해 고체 고분자 전해질의 이온전도도와 전기화학적 안전성을 향상시켰다.
□ 연구팀이 개발한 복합 고체 전해질은 기존 고체 고분자 전해질의 단점을 극복하면서, 높은 이온전도도와 화제를 제어하는 난연 특성까지 갖추고 있다. 이로써 배터리는 높은 에너지 저장 용량을 유지하면서도 안정적으로 작동할 수 있다. 특히, 본 고체 전해질은 구부러질 수 있기 때문에 향후 폭발이나 화재의 염려가 없는 웨어러블 디바이스 전원용 배터리 구현에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
□ DGIST 에너지융합연구부 김재현 박사는 “이번 연구에서 안정성을 높이고 용량 유지율을 향상시킨 고체 전해질을 개발함으로써 리튬메탈배터리의 성능을 크게 향상시켰다”며 “향후에도 안정적이고 효율적인 배터리 개발을 위해 노력하겠다.”라고 밝혔다.
□ 한편, 이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리 사업(단장 한양대 이정호 교수) 등의 지원을 받아 수행되었다. 연구 결과는 Willy 출판사의 학술지 ‘Advanced energy materials’의 표지논문으로 게재되었다.
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