대구경북과학기술원(DGIST·총장 이건우)은 김재현 에너지환경연구부 책임연구원 연구팀이 화재 위험을 획기적으로 줄이고 수명을 대폭 늘린 '삼중층 고분자 고체 전해질' 기반 새로운 리튬 금속 배터리를 개발했다고 26일 밝혔다.
기존 고분자 고체 전해질 배터리는 구조적 한계로 인해 전극 접촉이 불완전해 성능이 떨어졌다. 여기에 반복된 충·방전 과정에서 리튬이 나뭇가지처럼 자라는 '덴드라이트' 문제를 피하지 못했다. 덴드라이트는 불규칙한 리튬 성장으로 배터리 연결 이상을 일으켜 화재와 폭발을 초래하는 치명적 요인이다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 전해질을 '삼중층 구조'로 새롭게 설계했다. 삼중층 구조의 각 층은 서로 다른 역할을 하며 배터리를 안전성과 효율성을 획기적으로 끌어올린다. 이 전해질에는 불이 잘 붙지 않도록 돕는 'DBDPE'라는 물질과, 전해질의 강도를 높여주는 '제올라이트', 리튬 이온이 빠르게 움직일 수 있도록 돕는 고농도의 'LiTFSI'라는 리튬염이 사용됐다.
삼중층 구조의 고체 전해질은 가운데층이 튼튼해 배터리의 기계적 강도를 높여주고, 겉면은 부드러워 전극과 잘 맞닿아 리튬 이온이 쉽게 이동할 수 있도록 돕는다. 이를 통해 리튬 이온이 더 빠르게 움직이며 에너지 전달 속도가 개선되고, 덴드라이트의 생성을 효과적으로 차단했다.
실험 결과, 연구팀이 개발한 배터리는 1000번 충전과 방전을 반복해도 약 87.9%의 성능을 유지하며, 기존 배터리(70~80%)에 비해 내구성이 크게 개선됐다. 또 불이 붙더라도 스스로 꺼지는 특성이 있어 화재 위험을 크게 줄였다. 이 배터리는 스마트폰이나 웨어러블 기기처럼 소형 기기부터 전기차와 대규모 에너지 저장 장치에 이르기까지 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
김재현 박사는 “이번 연구는 고분자 고체 전해질 기반 리튬 금속 배터리의 상용화를 앞당기는 동시에 에너지 저장 장치의 안정성과 효율성을 높이는 데 크게 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
한국연구재단 미래소재디스커버리 사업(단장 한양대 이정호 교수)과 중견연구사업(책임자 김재현 박사)의 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 'Wiley' 출판사의 국제 학술지 '스몰(Small)'의 표지 논문으로 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
