이온저항층 제거 이온전도도 2배 높여
충·방전 등 전기 효율 특성도 3배↑
기존 설비 활용 가능…대량 생산 유리
에너지 밀도 확대 연구 등 진행 계획
국내 연구진이 이차전지를 더욱 안전하게 만들 수 있는 새로운 하이브리드 전해질 소재를 개발했다.
한국전자통신연구원(ETRI)은 유기-무기 전해질 간 계면 이온저항층(이온 이동 저해 물질)을 제거해 이온전도도와 충·방전 성능을 향상한 하이브리드 전해질을 개발했다고 17일 밝혔다. 이번 성과는 '에너지 스토리지 머티리얼즈' 최신호에 온라인으로 게재됐다.
기존 이차전지는 불에 잘 타는 액체 전해질을 사용해 폭발 위험성이 높다. 전해질을 고체로 바꾸면 온도 변화나 외부 충격에 의한 위험성을 낮추면서도 디자인도 자유롭게 구현할 수 있는데 계면 저항이 높거나 공정이 어렵다는 한계가 있다.
ETRI는 유기물, 무기물 소재를 섞어 안전하면서 전도도가 높은 하이브리드 전해질을 개발했다.
무기 고체 전해질 소재 표면에 자연적으로 형성되는 '이온 저항층'이 전도 성능을 낮추는 원인임을 밝혀내고 이를 제거한 것이 특징이다. 이온 저항층은 손상 없이 제거하는 것이 어려운데 연구진은 반도체 공정에 활용되는 '건식 식각법'을 활용 고체 전해질 측면이나 하단까지 빠르게 제거할 수 있게 했다.
이런 방법으로 만든 하이브리드 전해질은 이온전도도가 기존 전해질 대비 2배 높고 충·방전 등 전지 효율 특성 또한 3배 늘었다.
연구진이 고안한 방식은 제조 공정도 간단하고 기존 이차전지 설비를 그대로 활용할 수 있어 대량 생산에 유리하다. 향후 전극·전해질 사이 계면 제어를 통한 충·방전 효율 확대, 전해질 두께 최적화를 통한 에너지 밀도 확대 연구를 진행할 계획이다.
신동옥 ETRI 지능형센서연구실 연구원은 “새로운 개념으로 전해질을 설계하면서 보다 폭넓은 이차전지 연구가 가능해졌다”며 “앞으로 더욱 다양한 유무기 하이브리드 전해질 연구를 통해 안전하면서도 높은 성능을 지닌 이차전지를 개발하겠다”고 밝혔다.
한편 이번 연구에는 김상욱 KAIST 교수팀이 참여했다. 신동옥 ETRI 연구원, 이명주 UST 박사과정생이 공동 1저자로 참여했다. 과학기술정보통신부 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업 지원으로 수행됐다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
