불 붙여도 폭발하지 않는 차세대 '전고체전지' 개발

이상영 연세대 교수팀, 임태은 인천대 교수팀
상온, 상압에서 제조 가능해
"고안전성 전고체 전지 구현 경제적 접근법 제시"

[아시아경제 김봉수 기자] 전기자동차 시대를 맞아 세계 각국에서 차세대 배터리 개발 경쟁이 치열한 가운데, 국내 연구진이 상온, 상압에서 제작할 수 있고 불을 붙여도 폭발하지 않는 안전한 고분자 전고체전지를 개발했다.

이상영 연세대 화공생명공학과 교수 연구팀은 임태은 인천대 교수팀과 공동 연구를 통해, 상온·상압 조건에서 전지 제조 및 작동이 가능하며 불을 붙여도 폭발하지 않는 고분자 전고체전지를 개발했다고 15일 밝혔다. 고안전성 전고체전지를 구현하기 위한 간단하고 경제적인 접근법을 학문적으로 제시했다는 평가다.

전기자동차 및 ESS 분야에 사용되는 대용량 리튬이온전지(Lithium-ion batteries)의 폭발적인 수요 확대에 따라 고에너지밀도 및 장수명 등이 확보된 차세대 리튬전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 최근 들어 빈번히 발생하는 전기자동차 및 EES 화재와 같은 일련의 사건들로 인해 리튬전지의 안전성에 대한 우려가 심각하게 대두되고 있다.

리튬전지의 발화 문제는 다양한 요인에 의해 발생하는 복합적인 현상이지만, 인화성 액체 전해질 사용이 주원인으로 꼽힌다. 이에 대한 해결책으로서, 액체 전해질이 아닌 고체 전해질을 적용한 전고체전지 개발이 전 세계적으로 최근 활발히 진행되고 있다. 이러한 고체전해질 사용과 함께, 음극으로 리튬금속을 적용한 전고체 리튬금속전지는 높은 안전성 확보와 함께 에너지 밀도를 향상시킬 수 있어, 차세대 고안전성/고에너지밀도 전지시스템으로 큰 주목을 받고 있다.

전고체 리튬금속전지의 여러 장점들에도 불구하고, 실제 셀 제작 및 적용을 위해서는 아직 해결해야 할 과제가 많다. 최근 활발히 연구되는 무기 전해질 기반 전고체 리튬금속전지는 전극부터 전해질까지 모두 고체상으로 이뤄져 있어, 고체 전해질과 전극 간 접촉이 어려워 계면 저항이 높다. 이로 인해, 고온?고압 조건에서 셀을 제조해야 하며, 또한 셀 구동을 위해 정밀하게 제어된 고압 조건이 필요하다.

기존 무기 전해질 기반 전고체전지 기술들의 이러한 고온?고압 조건이라는 한계를 극복하기 위해, 이상영 교수 연구팀은 양이온 수송계수가 높으며 자외선 경화가 가능한 단이온 고분자전해질을 상온?상압 조건에서 프린팅 공정을 통해 제조함으로써 전고체 리튬금속전지를 개발했다.

연구팀이 개발한 단이온 고분자전해질은 기계적 유연성 및 높은 양이온 수송계수로 인해, 리튬금속 음극 및 하이니켈(NCM811) 고용량 양극과의 계면을 안정화시켰다. 이를 통해 가압이 없는 환경에서도 안정적으로 구동하는 고분자 전고체 리튬금속전지를 구현할 수 있었다. 또 4개 단위 셀 적층을 통해 16.8V 고전압을 갖는 고에너지밀도(476 Wh/kg, 1102 Wh/L) 셀을 구현했다. 특히 높은 열적 안정성 및 난연 특성을 보였으며, 가위로 자르거나 심지어 불을 붙여도 발화 혹은 폭발되지 않는 우수한 안전성을 확보했다.

이 교수는 "셀 제조 및 구동을 위해서 고온·고압이 필수적으로 요구되는 무기 전해질 전고체전지와는 달리, 단이온 고분자전해질 및 프린팅 공정을 통해 상온·상압 조건에서 전지 제조 및 작동이 가능하며 또한 난연성 및 에너지밀도가 향상된 고분자 전고체 리튬금속전지를 개발한 연구"라며 "전기자동차 및 대용량 ESS용 대용량 전지에 적용될 경우, 성능 및 안전성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다. 이 교수는 또 "연세대 교원창업기업과 함께 제품화를 위한 양산기술을 개발 중이다. 빠르면 내년 중으로 소형전지 시제품을 출시할 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

이번 연구 결과는 재료 분야의 국제 학술 권위지인 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 지난 14일 표지 논문으로 게재됐다.