국내 연구팀이 고무처럼 늘어나는 탄성 이온전도 소재를 활용해 전고체전지의 수명과 안전성을 높였다. 탄성 이온전도성 고분자를 넣은 전지는 충·방전 반복 실험에서도 2500시간 성능을 유지했다.

한국화학연구원은 김동욱 화학소재연구본부 책임연구원이 이끄는 연구팀이 황성주 연세대 교수팀, 박호석 성균관대 교수팀과 함께 탄성 이온전도성 고분자를 활용해 전고체전지의 수명을 늘리는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다. 연구 성과는 국제 학술지 '에너지 스토리지 머터리얼즈' 5월호에 실렸다.

전고체전지는 리튬이온 같은 액체가 아닌 견고한 고체 전해질을 사용한 전지를 말한다. 특히 황화물은 이온전도도가 액체 전해질만큼 높으면서도 급속 충전과 고출력에 유리해 배터리 업계가 주목하는 소재다.

다만 딱딱한 고체 전해질과 전극이 맞닿아 있는 구조여서, 충·방전 과정에서 전극의 부피가 바뀔 때마다 내부에 균열이 발생하기 쉽다. 균열이 생기면 전자와 이온의 이동이 어려워지고, 전지 수명이 급격히 단축된다. 높은 압력으로 틈을 눌러주는 결합 장치를 설치할 수도 있지만, 배터리 무게와 생산 비용이 늘어난다는 문제가 있다.

연구팀은 황화물 전해질 내부에 '탄성 이온전도성 고분자'가 스며들게 하는 방법으로 문제를 해결했다. 액체 상태로 전해질 내부에 주입한 뒤 그물망 구조로 굳혀 전해질 입자 사이 빈 공간을 채웠다. 탄성 고분자는 마치 건물의 내진 장치처럼 충·방전 시 전극이 팽창하거나 수축할 때 발생하는 스트레스를 흡수한다. 또 전해질 속 빈 공간을 채워 리튬 이온이 이동할 수 있는 경로를 만든다.

실험 결과 탄성 고분자를 적용한 전지는 충·방전을 반복하는 실험에서 2500시간 이상 안정적으로 작동했다. 고속 충·방전 조건에서도 더 높은 용량을 유지했다. 200회 충·방전 후 용량 유지율은 75%였다. 탄성 고분자를 주입하지 않은 황화물 전해질 전지의 용량 유지율은 22%에 그쳤다.

연구팀은 향후 대면적 및 전기차용 환경에서 전지 성능을 추가 검증할 계획이다.

김 책임연구원은 "황화물 전고체전지의 난제인 기계적 안정성 문제를 해결할 수 있는 기술"이라고 했다. 신석민 화학연 원장은 "차세대 전기차와 에너지저장 장치용 고안전성 배터리 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대한다"고 했다.

이번 연구는 화학연 기본사업과 NST(국가과학기술연구회) 글로벌톱(TOP)전략연구단 과제의 지원을 받았다.