[HKS행정방송]전남대학교(총장 이근배)는 공과대학 신소재공학부 박찬진 교수 연구팀이 에너지 밀도와 안전성을 획기적으로 높인 차세대 리튬-메탈 전고체 배터리(Lithium-Metal All-Solid-State Batteries)의 상용화를 앞당길 새로운 고분자 고체전해질 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구는 ‘꿈의 배터리’로 불리는 리튬-메탈 전고체 배터리의 고질적인 문제였던 낮은 상온 성능과 화재의 주요 원인인 ‘리튬 덴드라이트(dendrite)’ 형성을 동시에 해결했다는 점에서 큰 의미가 있다.

현재 상용화된 리튬이온 배터리는 인화성 액체 전해질을 사용해 화재 위험에 노출되어 있으며, 에너지 밀도를 높이는 데 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 전 세계적으로 액체 대신 불연성의 고체 전해질을 사용하는 연구가 활발하지만, 대부분 상온에서 성능이 급격히 저하되거나, 배터리 수명을 단축시키는 덴드라이트 문제를 해결하지 못했다. 덴드라이트는 충·방전 시 리튬이 음극 표면에 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라나는 결정체로, 배터리의 분리막을 훼손해 화재나 폭발을 일으키는 주범으로 꼽힌다.

박찬진 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 ‘단일이온 전도성 고분자(SICP)’와 ‘에테르 고분자 네트워크(EPN)’를 결합한 새로운 개념의 3D 다공성 고분자 고체전해질을 개발했다. 연구팀은 먼저 3차원의 스펀지 같은 다공성 구조를 가진 SICP 막을 제작한 뒤, 내부에 액체 상태의 에테르 고분자 전구체를 주입하고 배터리 내부에서 그대로 굳히는 ‘현장 중합(in-situ polymerization)’ 기술을 적용했다.

이렇게 만들어진 전해질의 독특한 3D 망상 구조는 리튬 이온이 특정 부위에 뭉치지 않고 전극 전체에 균일하게 전달되도록 돕는다. 이러한 ‘탈중심화된 이온 전달’ 방식은 덴드라이트가 형성될 틈을 주지 않아 배터리의 안정성과 수명을 획기적으로 개선했다.

실제로 이 기술을 적용한 리튬-메탈 전고체 배터리는 상온에서 1,000시간 이상 안정적인 구동 성능을 보였으며, 고용량 양극(NCM811)을 적용한 테스트에서도 250회의 충·방전 후 초기 용량의 82%를 유지하는 우수한 수명 특성을 나타냈다. 특히 리튬 이온만을 선택적으로 빠르게 이동시키는 능력을 나타내는 ‘리튬 이온 수송율’은 0.58로, 일반적인 고분자 고체전해질(0.4 미만)보다 월등히 높아 덴드라이트 억제에 효과적임을 입증했다.

박찬진 교수는 “이번 연구는 고분자 고체전해질의 오랜 난제였던 상온 성능과 안정성을 동시에 해결하고, 이온의 흐름을 제어해 덴드라이트 형성을 원천적으로 억제하는 새로운 길을 열었다는 데 큰 의미가 있다”며, “비용 효율적이고 확장성이 뛰어난 기술인 만큼, 미래 전기차와 에너지 저장 시스템(ESS)의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF) 등의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 재료과학 분야의 전문 학술지 Small Structures (IF=13.9) 최신 호에 게재됐다.