한국과학기술원(KAIST)은 김범준 생명화학공학과 교수팀이 이승우 미국 조지아공대 교수팀과 엘라스토머 고분자 전해질을 개발, 세계 최고 성능 전고체 전지를 구현했다고 13일 밝혔다.
공동 연구팀은 상온에서 리튬(Li) 이온 전도도가 탁월하며, 신축성이 높은 엘라스토머(고무) 형태 고분자 전해질을 개발했으며, 이를 전고체 전지에 적용해 410Wh/㎏ 세계 최고 성능을 보이는 전고체 리튬 메탈전지를 구현했다. 이 기술을 도입하면 한번 충전으로 800㎞까지 주행 가능한 전기자동차 구현이 가능할 전망이다. 현재는 500㎞ 수준이다. 기존 액체 전해질 적용한 리튬이온전지 안정성을 획기적으로 향상할 것으로 기대된다.
고분자 기반 고체 전해질은 원료가 매우 싸고, 저온 대량생산 공정, 가벼움의 장점을 갖고 있지만 상온에서 낮은 이온전도도를 가지는 문제점이 있으며, 전지 충·방전 시 안정성이 떨어진다.
연구팀은 신축성이 탁월한 엘라스토머 내부에 리튬 이온전도도가 매우 높은 플라스틱 결정 물질을 3차원적으로 연결한 엘라스토머 고분자 고체 전해질을 개발했다. 기존 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 기반 고분자 전해질에 비해 100배 정도 향상된 10-3S/㎝ 이온전도도를 가진다. 또 고무처럼 신축성이 우수한 전해질은 전지 충방전 시 안정성에 가장 큰 문제가 되는 리튬 덴드라이트(dendrite) 성장을 억제해, 탁월한 전지 성능 및 안정성을 확보했다.
개발 고분자 전해질은 얇은 리튬금속 음극과 니켈 리치 양극(NCM-Ni83)으로 구성된 전고체전지에서 4.5V 이상 고전압에서도 안정적인 구동을 보였으며, 410Wh/㎏ 이상 세계 최고 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 강기석 서울대 교수는 “전고체 이차전지에 대한 세계적인 개발 경쟁이 치열한 가운데, 기존 고체전해질과 차별되는 엘라스토머 기반의 신규 고체전해질 개발은 이 분야의 발전에 새로운 가능성을 제시할 것”이라고 말했다.
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 있다”고 밝혔다. 이승우 교수는 “이번 연구를 통해 개발한 엘라스토머 전해질은 기존 고체전해질이 가진 문제점을 획기적으로 개선하고, 제조 공정이 매우 간단해, 전고체전지 전해질의 게임체인저가 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
