UNIST·KAIST 공동 연구팀
상용 전해질 얼려 고체 전해질 수준의 성능 확인
액체 전해질을 얼려 사용하면 고체전해질처럼 리튬금속배터리를 작동할 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 전해질이 얼면 배터리 충방전이 안 된다는 통념을 깨는 발견이다. 얼음 전해질의 작동 원리도 밝혀내 리튬금속배터리용 고체 전해질 설계에 새로운 접근법을 제시했다는 평가다.
송현곤 UNIST 에너지화학공학과 교수팀과 서동화 KAIST 신소재공학과 교수 공동 연구팀은 상용 전해질의 유기용매인 에틸렌 카보네이트로 '얼음 전해질'을 만들고, 이 전해질에서 리튬 이온의 전달 원리를 규명했다고 24일 밝혔다.
배터리 전해질은 유기 용매에 리튬염이 녹아 있는 액체 형태다. 리튬이온이 이 전해질을 통과해 음극과 양극을 오가며 배터리가 충방전된다. 상용 용매인 에틸렌 카보네이트는 어는점이 37℃여서 상온(약 25℃)에서는 '얼음'처럼 굳는다. 그래서 어는점을 낮추는 다른 물질과 섞어서 쓴다.
공동 연구팀은 이번 실험에서 에틸렌 카보네이트에 리튬염만을 소량 첨가해 전해질이 얼음 상태를 유지하도록 설계했다.
실험 결과, 이 '얼음 전해질'의 이온 전도도는 약 0.64밀리지멘스센티미터(mS/cm), 리튬 이온 전달수는 0.8을 나타냈다. 별도로 개발된 고체 전해질과 유사한 수치다. 얼음 전해질을 리튬금속배터리에 적용하자 상온에서 400회 이상 충·방전해도 내부 단락 없이 안정적으로 작동했다.
리튬금속배터리는 상용 배터리보다 최대 50% 더 많은 전기를 저장할 수 있는 차세대 배터리다. 하지만, 음극인 리튬금속과 액체 전해질 간의 반응성이 큰 탓에 상용화를 위해서는 별도 고체 전해질 개발이 필수로 여겨지고 있다.
연구팀은 이 얼음 전해질이 고체 전해질과 비슷한 성능을 보이는 이유도 밝혀냈다.
얼음 전해질에서는 용매 분자는 고정된 채 리튬 양이온만 이웃한 용매 분자의 산소 원자를 징검다리 삼아 빠르게 이동하게 된다. 또 얼음 속에서는 용매와 불필요한 음이온의 움직임이 억제돼 부반응이 감소하고, 얼음이 물리적으로 수지상을 눌러버리는 덕분에 리튬금속 배터리 용량의 급격한 감소와 단락도 막을 수 있다. 리튬전극 표면에 돋아나는 뾰족한 수지상은 분리막을 관통해 배터리 단락을 일으키는 원인이다.
송현곤 교수는 “고체 전해질은 딱딱한 무기물이나 특수한 고분자로 만들어야 한다고 생각하기 쉽다. 이번 연구는 전해질 용매 분자들끼리 살짝 엉겨 붙은 '얼음' 같은 구조에서도 이온이 충분히 잘 이동할 수 있다는 사실을 보여줬다”며 “상용화가 가능한 현실적인 온도에서 작동할 수 있는, 녹는점이 더 높은 유기 용매 조합을 개발하고 있다”고 말했다.
이번 연구 성과는 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)' 1월 21일자 온라인으로 게재됐다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
