대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)은 김재현 에너지융합연구부 책임연구원 연구팀이 세계 최고 성능의 복합고체전해질을 제작했다고 20일 밝혔다. 폭발이나 화재 염려가 없는 웨어러블 디바이스 전원용 배터리 구현에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
전해질은 물에 녹아서 이온화해 전기를 전달하는 물질이다. 배터리의 4대 핵심소재 중 하나다. 현재 널리 쓰이고 있는 액체 전해질은 분리막에 의해 음극과 양극이 나뉘는 구조다. 이 때문에 변형이나 외부 충격으로 분리막이 훼손되면 액체 전해질이 흐르고, 양극 물질이 만나 기화되면서 종종 과열 또는 폭발사고가 발생한다.
이러한 액체전해질을 고체전해질로 대체하게 되면 화재·폭발의 위험성을 방지할 수 있게 된다. 또 분리막도 필요 없고, 전체적인 배터리의 부피도 줄일 수 있다. 그러나 고체전해질은 액체에 비해 전도도가 훨씬 떨어져 이를 보완하기 위한 연구가 필요하다.
연구팀은 폴리머에 이산화규소와 고순도 알루미나로 주 골격을 형성하는 다공성 YNa 제올라이트와 리튬염을 혼합한 새로운 복합고체전해질을 제조했다. 기존 제올라이트는 폴리머에 균일하게 분산되지 않는 단점이 있었다. 이번 연구에서는 리튬염의 농도를 조절함으로써 제올라이트의 균일한 분산 및 리튬이온배터리의 리튬 메탈 음극 계면에서 리튬 덴드라이트의 형성을 억제할 수 있는 기술을 개발하는데 성공했다.
또 이 복합고체전해질은 기존 폴리머 고체 전해질의 낮은 기계적 강도와 산화물 또는 황화물 고체전해질의 유연하지 못하다는 단점을 모두 극복할 수 있다. 비표면적이 넓은 다공성 YNa 제올라이트는 효과적인 리튬이온 전달을 가능하게 한다.
김재현 책임연구원은 “제올라이트 기반의 복합고체전해질 연구는 거의 없었다. 수많은 시행착오 끝에 세계 최고 성능의 고체전해질을 제작할 수 있었다”며 “개발한 고체전해질은 구부려질 수 있기 때문에 향후 폭발이나 화재 염려가 없는 웨어러블 디바이스 전원용 배터리 구현에 매우 유용하게 사용될 수 있을 것”이라고 말했다.
한국연구재단 미래소재디스커버리 사업 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 최근 출판사 '로얄 소사이어티 오브 케미스트리'의 저널 오브 머티리얼즈 케미스트리' 최신호 표지논문에 게재됐다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
