Research
화재·폭발 걱정 없는 세계 최고 수준 고체가소제 기반 고체전해질 개발
- 높은 이온전도도와 난연 특성을 동시에 가지는 고분자계 고체 전해질 개발
- 연구 결과는 ‘Advanced Energy Materials’에 게재돼
DGIST(총장 국양) 에너지융합연구부 김재현 박사 연구팀이 경북대학교 전상은 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 고체 전해질을 사용한 새로운 리튬메탈배터리를 개발했다고 22일(수) 밝혔다. 배터리의 안정성이 향상되었을 뿐 아니라 전체적인 배터리 부피를 줄이고 분리막을 필요로 하지 않아 다양한 분야로의 활용이 기대된다.
통상적으로 널리 쓰이는 배터리의 종류인 기존 액체 전해질은 외부 충격이나 변형으로 분리막이 손상되면 화재 및 폭발의 위험이 있었다. 특히, 충·방전을 지속하면서 리튬이 나뭇가지 모양으로 성장하는 ‘덴드라이트’ 현상이 발생해 폭발이나 화재를 야기한다. 이러한 액체전해질을 고체전해질로 대체하게 되면 화재 및 폭발의 위험성을 방지할 수 있게 된다. 또한 분리막도 필요 없게 되고 전체적인 배터리의 부피도 줄일 수 있는 장점이 있다.
이에 에너지융합연구부 김재현 박사 연구팀은 고체가소제를 고체 고분자 전해질에 첨가하여, 기존 고체 고분자 전해질의 단점을 극복하고 안전한 전고체 리튬메탈배터리를 제작했다. 이 배터리는 리튬 메탈 음극 계면에서 리튬 덴드라이트의 형성을 억제하여 안정성이 향상된다.
기존에 널리 사용되는 이온성 액체의 경우 리튬 덴드라이트로 인한 단락을 예방하지 못한다는 단점이 있다. 하지만 고체가소제는 이러한 단점을 극복할 수 있다. 김재현 박사 연구팀은 고체 가소제로 BMI-Br(1-butyl-2,3-dimethylimidazolium bromide)를 사용해 고체 고분자 전해질의 이온전도도와 전기화학적 안전성을 향상시켰다.
연구팀이 개발한 복합 고체 전해질은 기존 고체 고분자 전해질의 단점을 극복하면서, 높은 이온전도도와 화제를 제어하는 난연 특성까지 갖추고 있다. 이로써 배터리는 높은 에너지 저장 용량을 유지하면서도 안정적으로 작동할 수 있다. 특히, 본 고체 전해질은 구부러질 수 있기 때문에 향후 폭발이나 화재의 염려가 없는 웨어러블 디바이스 전원용 배터리 구현에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
DGIST 에너지융합연구부 김재현 박사는 “이번 연구에서 안정성을 높이고 용량 유지율을 향상시킨 고체 전해질을 개발함으로써 리튬메탈배터리의 성능을 크게 향상시켰다”며 “향후에도 안정적이고 효율적인 배터리 개발을 위해 노력하겠다.”라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리 사업(단장 한양대 이정호 교수) 등의 지원을 받아 수행되었다. 연구 결과는 Willy 출판사의 학술지 ‘Advanced energy materials’의 표지논문으로 게재되었다.
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Functionality of 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium bromide (BMI-Br) as a solid plasticizer in PEO-based polymer electrolyte for highly reliable lithium metal batteries
(Eunhui Kim, Hasan Jamal, Injun Jeon, Firoz Khan, Sang-Eun Chun, and Jae Hyun Kim)
(Advanced energy materials, on-line published on Nov.2nd.2023)
높은 에너지 저장 용량을 가지는 안정한 배터리를 개발하기 위해서 리튬메탈을 음극으로 사용하는 전고체 리튬메탈배터리 개발이 필수적이다. 본 연구에서는 고체가소제를 고체 고분자 전해질에 첨가한 새로운 복합 고체 전해질을 제작하여 기존 고체 고분자 전해질의 단점인 이온전도도를 향상시키고 난연 특성을 갖는 전고체 리튬메탈배터리 제작에 성공하였다. 고체가소제 역할을 하는 BMI-Br은 리튬염 클러스터를 감소시키고 리튬염과 음이온 교환을 통해 BMI-TFSI 및 Li-Br의 형성을 촉진하여 세계적 수준의 이온전도도를 보였다. 또한, 안정적인 organic-inorganic SEI층이 형성되어 300 μA/cm2의 높은 전류밀도에서 500 사이클 이상 안정하게 구동하며 풀셀에서 300사이클 충방전 후 99.7%의 높은 용량 유지율을 보였다.
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연구결과문답
Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
이온성 액체인 Ionic liquid를 활용한 기존 논문은 무수하나, 이온성 액체의 단점인 기계적 강도를 극복할 수 있는 고체가소제는 거의 연구되지 않았음. 본 연구실에서 고체가소제를 첨가하여 세계 최고 성능의 고체 고분자 전해질을 제작함
폴리머 기반의 고체전해질의 경우 열악한 체인 운동으로 인한 낮은 이온전도도가 매우 큰 이슈인데 본 개발된
복합고체전해질을 사용할 경우 이온전도도를 크게 향상시킬 수 있음
Q. 어디에 쓸 수 있나?
본 고체전해질은 구부려질 수 있기 때문에 향후 폭발이나 화재의 염려가 없는 웨어러블 디바이스 전원용 배터리 구현에 매우 유용하게 사용될 수 있을 것임
Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
현재 실험실 수준에서 우수한 성능을 확보하였고 상용화 수준의 안정화 테스트 등을 향후 검증한다면 상용화의 가능성도 있을 것으로 판단됨
Q. 연구를 시작한 계기는?
기존에 거의 연구가 되지 않은 고체가소제의 경우 고체전해질에 사용될 경우 우수한 성능을 보일 수 있다는 초기 시뮬레이션 결과를 가지고 시작하게 되었음. 시행착오도 많이 하였지만 포기하지 않고 계속 연구한 결과 좋은 성과를 이루었음
Q. 어떤 의미가 있는가?
이번에 개발한 고체가소제 기반의 신 복합고체전해질의 경우 세계 최고 수준의 성능을 보이고 있고 본 연구 결과 뿐만 아니라 계속적으로 우수한 연구결과들이 팀에서 나오고 있음. 고체전해질의 상용화에 매우 중요한 실적이 될 것으로 판단됨
Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
100억원 규모의 기술이전을 통해 조성한 자금으로 어려운 사람들에게 기부도 하고 어린 과학 꿈나무들에게 희망이 될 수 있는 좋은 환경도 구축하는데 도움이 되었으면 함
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그림설명
[그림 1] 리튬 이온의 이동을 향상시키고 균일한 SEI층을 형성하는 고체가소제 기반의 복합고체전해질
(그림설명)
기존의 고체 고분자 전해질(SPE)의 경우 PEO 매트릭스만으로 이동하여 느린 리튬 이온 이동 속도를 보이며 리튬 수지상의 성장을 억제하지 못함(왼쪽 그림)
고체가소제 기반 복합고체전해질(BMI-Br-CPE)의 경우 LiTFSI와 BMI-Br의 반응으로 형성된 BMI-TFSI와 LiBr로 인해 리튬 이온이 활발하게 이동하며 리튬 수지상의 성장을 억제하여 균일한 SEI층을 형성함(오른쪽 그림)
BMI-Br: 고체가소제(1-butyl-2,3-dimethylimidazolium bromide)
SPE: 고체 고분자 전해질
BMI-Br-CPE: 고체가소제 기반 복합고체전해질
SEI : 음극 표면의 고체막(Solid electrolyte interphase)
[그림 2] Advanced energy materials의 Back cover 사진
