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Research

폭발·화재 위험성이 없고 구부릴 수 있는 새로운 물질 기반의 복합고체전해질 개발

  • 조회. 434
  • 등록일. 2021.12.20
  • 작성자. 대외협력팀

DGIST 에너지융합연구부 김재현 책임연구원 연구팀, 제올라이트 기반의 신() 복합고체전해질 개발

구부릴 수 있어 향후 폭발이나 화재의 염려가 없는 웨어러블 디바이스 전원용 배터리 구현에 사용될 수 있을 것으로 기대돼

 

 

[DGIST 에너지융합전공 김재현 책임연구원(왼쪽 위에서 세번째)와 연구진들]

 

    DGIST(총장 국양)는 에너지융합연구부 김재현 책임연구원 연구팀이 세계 최고 성능의 복합고체전해질을 제작했다고 20일 밝혔다. 향후 폭발이나 화재의 염려가 없는 웨어러블 디바이스 전원용 배터리 구현에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
전해질은 물 등에 녹아서 이온화하여 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 SiO2Al2O3로 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 하여 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 200 μA/cm2의 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 있었다본 고체전해질은 구부려질 수 있기 때문에 향후 폭발이나 화재의 염려가 없는 웨어러블 디바이스 전원용 배터리 구현에 매우 유용하게 사용될 수 있을 것이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리 사업(단장 한양대 이정호 교수) 등의 지원을 받아 수행되었다. 연구 결과는 Royal Society of Chemistry 출판사의 Journal of Materials Chemistry A() 최신호 표지논문으로 지난 1029일에 제재됐다.

 

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연구결과개요

Enhanced compatibility of a polymer-based electrolyte with Li-metal for stable and dendrite-free all-solid-state Li-metal batteries

(Hasan Jamal, Firoz Khan, Hyeong-Rok Si, and Jae Hyun Kim)

(Journal of Materials Chemistry A, on-line published on 10.29, 2021)

 

높은 에너지 저장 용량을 가지는 안정한 배터리를 개발하기 위해서 리튬메탈을 음극으로 사용하는 전고체 리튬이온배터리 개발이 필수이다. 본 연구에서는 YNa 제올라이트, 과량의 리튬염, 그리고 폴리머를 균일하게 혼합한 새로운 복합고체전해질을 제작하여 리튬음극과 고체전해질 계면사이에 덴드라이트 생성이 없는 전고체 리튬이온배터리 제작에 성공하였다. 비표면적이 넓은 다공성 YNa 제올라이트는 효과적인 리튬이온 전달을 가능하게 하여 0.84의 세계적 수준의 리튬이온전달율을 보였다. 60 °C에서 1.66 × 10-2 Scm-1의 이온전도도와 100 사이클에서 95%이상의 용량 유지율을 보였다. 또한, 리튬덴드라이트 형성이 없기 때문에 리튬 플레이팅(plating)과 스트리핑(stripping) 사이클 테스트에서도 200 μA/cm2의 높은 전류밀도에서 1500 사이클 이상 안정하게 구동되는 특성을 보였다.

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

일반적인 제올라이트는 폴리머 기지내 분산이 쉽지 않은데 고농도의 리튬염의 첨가를 통해 균일한 분산이 가능함을 밝혀냄.

제올라이트 기반의 복합고체전해질 연구는 거의 없고 본 연구실에서 세계 최고 성능의 고체전해질을 제작함

고체전해질의 경우 리튬 금속과의 계면에서 리튬 덴드라이트 형성에 의한 배터리 성능 저하가 매우 큰 이슈인데 본 개발된 고체전해질을 사용할 경우 그것을 극복할 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?

한국연구재단 미래소재디스커버리 사업의 경우 기존에 발표되지 않은 신소재 개발이 매우 중요한 핵심임.

기존에 거의 연구가 되지 않은 다공성 제올라이트의 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?

제올라이트 기반의 신 복합고체전해질의 개발의 경우 전 세계적으로 독보적으로 저희팀에서만 연구하고 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?

100 억 정도의 기술이전을 하여 마련한 자금으로 어려운 사람들에게 기부도 하고 어린 과학 꿈나무들의 희망이 될 수 있는 좋은 환경도 구축하는데 도움이 되었으면 함

 

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연구결과개요

[그림 1] 덴드라이트 형성이 없는 제올라이트 기반의 복합고체전해질

(그림설명) 
왼쪽 그림: 리튬염의 양을 최적화 하지 않은 복합고체전해질의 경우 Anode(음극)표면에서 리튬덴드라이트 형성이 되어 Cathode(양극)까지 성장되어 단락이 일어남

오른쪽 그림: 리튬염의 양을 최적화 한 복합고체전해질의 경우 Anode(음극)표면에서 리튬덴드라이트 형성이 되지 않음


Cathode: 양극
Anode: 음극
YNa-CPE: 제올라이크 기반 복합고체전해질
Dendrites: 덴드라이트
Short circuit path: 단락 경로

 

 

 

 

 

콘텐츠 담당 담당부서  :   대외협력팀 ㅣ 053-785-1135