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세계 최고성능 전고체전지 구현했다! KAIST, 전고체전지 에너지밀도 획기적 향상
한번 충전으로 800km까지 주행… 배터리 화재 및 안전성 문제도 해결

[인더스트리뉴스 권선형 기자] KAIST 김범준조지아공대 이승우 교수 연구팀이 세계 최고 성능의 전고체 리튬메탈전지(all-solid-state Li-metal battery)를 개발했다.

전고체 리튬메탈전지는 이차전지에 사용되는 휘발성이 높은 액체전해질을 고체로 대체해 화재와 자동차 안전사고를 막을 수 있는 미래기술로, 현재 상용화된 리튬이온전지(Li-ion battery)에 비해 에너지밀도를 획기적으로 향상해 자동차 주행거리 확보 및 안전 문제를 해결할 수 있는 ‘꿈의 배터리 기술’이다.

KAIST 김범준조지아공대 이승우 교수 연구팀이 세계 최고 성능의 전고체 리튬메탈전지(all-solid-state Li-metal battery)를 개발했다. (왼쪽부터 시계방향으로) 이승우 교수, 김범준 교수, 한정훈 연구원, 이승훈 연구원 [사진=KAIST]

KAIST 한정훈 연구원, 조지아공대 이승훈 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’ 1월 13일에 논문명 ‘Elastomeric electrolytes for high-energy solid-state lithium batteries’으로 출판됐다.

410Wh/kg 이상의 세계 최고 에너지밀도

공동 연구팀은 상온에서 리튬(Li) 이온의 전도도가 탁월하며, 기계적 신축성이 모두 확보된 엘라스토머(고무) 형태의 고분자 전해질을 개발했다. 이를 전고체전지에 적용해 410Wh/kg의 세계 최고성능을 보이는 전고체 리튬 메탈전지를 구현했다. 이 기술을 도입하면 한번 충전으로 800km까지 주행 가능한 전기차 구현(현재 500km수준)이 가능할 것으로 보이며, 기존 액체 전해질을 적용한 리튬이온전지의 안정성을 획기적으로 향상할 것으로 기대된다.

고체 전해질은 크게 고분자 기반, 산화물 기반, 황화물 기반의 전해질로 나뉜다. 현재 황화물 기반에서 가장 활발한 연구가 되고 있으나 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다. 고분자 기반 고체전해질은 원료가 매우 싸고, 저온 대량생산 공정, 가벼움의 장점을 갖고 있지만, 상온에서 낮은 이온전도도를 갖는 문제점이 있으며, 전지 충방전 시 안정성이 떨어진다.

개발된 엘라스토머 기반 고체전해질을 이용해 구현된 전고체전기 및 기대효과 [자료=KAIST]

연구팀은 고무처럼 신축성이 탁월한 엘라스토머 내부에 리튬 이온전도도가 매우 높은 플라스틱 결정 물질을 3차원적으로 연결한 엘라스토머 고분자 고체전해질을 개발했다. 연구팀이 개발한 전해질은 기존에 대표적인 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 기반의 고분자 전해질에 비해 100배 정도 향상된 10-3 S/cm의 이온전도도를 가진다. 또한 고무처럼 신축성이 우수한 전해질은 전지 충방전 시 안정성에 가장 큰 문제가 되는 리튬 덴드라이트(dendrite)의 성장을 억제해, 탁월한 전지 성능 및 안정성을 확보했다.

개발된 고분자 전해질은 얇은 리튬금속 음극과 니켈 리치 양극(NCM-Ni83)으로 구성된 전고체전지에서 4.5V 이상의 고전압에서도 안정적인 구동을 보였으며, 410Wh/kg 이상의 세계 최고의 에너지밀도를 보였다.

엘라스토머 기반 고체전해질 모식도 및 개발된 전고체전지 성능 비교 그래프 [자료=KAIST]

SK이노베이션 최경환 차세대배터리 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 서울대 강기석 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.

KAIST 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 있다라고 밝혔다.

미국 조지아공대 이승우 교수는 “이번 연구를 통해 개발한 엘라스토머 전해질은 기존의 고체전해질이 가진 문제점을 획기적으로 개선하고, 제조 공정이 매우 간단해, 전고체전지의 전해질의 게임체인저가 될 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 중견도약연구사업, 미래소재디스커버리 사업, 기초연구실지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 한국화학연구원 김병각 박사, 한국에너지기술연구원 정규남 박사가 공동연구에 참여했다.

 

 

[권선형 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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