[더테크 뉴스] DGIST는 에너지융합연구부 김재현 책임연구원 연구팀이 세계 최고 성능의 복합고체전해질을 제작했다고 밝혔다. 향후 폭발이나 화재의 염려가 없는 웨어러블 디바이스 전원용 배터리 구현에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

전해질은 물 등에 녹아서 이온화해 전기를 전달하는 물질로서 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 과열 또는 폭발사고로 이어지는 위험성이 존재한다.

이러한 액체전해질을 고체전해질로 대체하게 되면 화재 및 폭발의 위험성을 방지할 수 있게 된다. 또한 분리막도 필요 없어지고 전체적인 배터리의 부피도 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나 고체전해질은 액체에 비해 전도도가 훨씬 떨어져 이를 보완하기 위한 연구가 필요한 실정이었다.

이에 김재현 책임연구원 연구팀은 폴리머에 SiO₂와 Al₂O₃로 주 골격을 형성하는 다공성 YNa 제올라이트와 리튬염을 혼합한 새로운 복합고체전해질을 제조했다. 기존 제올라이트는 폴리머에 균일하게 분산되지 않는 단점이 있었으나, 본 연구에서는 리튬염의 농도를 조절함으로써 제올라이트의 균일한 분산 및 리튬이온배터리의 리튬 메탈 음극 계면에서 리튬 덴드라이트의 형성을 억제할 수 있는 기술 개발하는데 성공했다.

또한 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 해 0.84의 세계적 수준의 리튬이온 전달율을 보였으며, 60°C에서 1.66×10^-2 Scm^-1의 이온전도도와 100 사이클에서 95%이상의 용량 유지율을 보였다. 또한 리튬덴드라이트 형성이 없기 때문에 리튬 증착과 탈착 사이클 테스트에서도 200μA/㎠의 높은 전류밀도에서 1500 사이클 이상 안정적으로 구동되는 특성을 보였다.

김재현 책임연구원은 “제올라이트 기반의 복합고체전해질 연구는 거의 없었으나 수많은 시행착오에도 포기하지 않고 계속 연구한 결과 세계 최고 성능의 고체전해질을 제작할 수 있었다”며 “본 고체전해질은 구부려질 수 있기 때문에 향후 폭발이나 화재의 염려가 없는 웨어러블 디바이스 전원용 배터리 구현에 매우 유용하게 사용될 수 있을 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리 사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 Royal Society of Chemistry 출판사의 ‘Journal of Materials Chemistry A’ 최신호 표지논문으로 지난 10월 29일에 제재됐다.