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  • 기사등록 2022-01-14 15:26:51
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▲ 엘라스토머 기반 고체전해질 모식도 및 개발된 전고체전지 성능 비교 그래프


국내 연구진이 고무 형태의 고분자 전해질을 전고체 배터리에 적용해 한번 충전으로 800 km까지 주행 가능한 전기차용 리튬 메탈배터리를 구현했다.


KAIST는 생명화학공학과 김범준 교수 연구팀이 미국 조지아공대 이승우 교수팀과 공동연구를 통해 엘라스토머 고분자 전해질을 개발, 세계 최고성능의 전고체배터리를 구현했다고 13일 밝혔다.


KAIST 한정훈 및 조지아공대 이승훈 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처(Nature)' 1월 13일에 출판됐다.


전고체 리튬메탈배터리는 이차전지 액체전해질을 고체로 대체, 화재 및 안전사고를 막을 수 있는 기술로, 현재 상용화된 리튬이온배터리에 비해 에너지밀도를 획기적으로 향상해 자동차 주행거리 확보 및 안전 문제를 해결할 수 있다.


공동 연구팀은 상온에서 리튬(Li) 이온의 전도도가 탁월하며, 기계적 신축성이 모두 확보된 엘라스토머(고무) 형태의 고분자 전해질을 개발했다.


이를 전고체배터리에 적용해 410Wh/kg의 세계 최고성능을 보이는 전고체 리튬 메탈배터리를 구현했다. 기술 도입 시 한번 충전으로 800km까지 주행 가능한 전기자동차의 구현이 가능하다. 기존 액체 전해질을 적용 리튬이온배터리 안정성을 향상할 것으로 기대된다.


고체 전해질은 크게 고분자 기반, 산화물 기반, 황화물 기반의 전해질로 나뉜다. 황화물 기반이 가장 활발한 연구가 되고 있으나 가격이 매우 비싸고 고분자 기반 고체전해질은 저렴한 원료, 저온 대량생산 공정, 가벼운 무게가 장점이나 상온 시 낮은 이온전도도, 전지 충‧방전 안정성이 부족한 단점이 있었다.


연구팀은 고무처럼 신축성이 탁월한 엘라스토머 내부에 리튬 이온전도도가 매우 높은 플라스틱 결정 물질을 3차원적으로 연결한 엘라스토머 고분자 고체전해질을 개발했다.


연구팀이 개발한 전해질은 기존 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 기반의 고분자 전해질 대비 100배 향상된 10-3 S/cm의 이온전도도를 가진다. 또, 고무처럼 신축성이 우수한 전해질은 전지 충‧방전 시 큰 문제가 되는 리튬 덴드라이트(dendrite)의 성장을 억제, 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.


KAIST 김범준 교수는 “엘라스토머 전해질이라는 기존과는 완전히 다른 새로운 종류의 고체전해질을 개발해 소재 원천 기술을 확보했다는 것에 큰 의의가 있다ˮ고 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”고 밝혔다.

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