안전하고 효율적인 전고체 배터리 배관공의 악몽에서 해법
안전하고 효율적인 전고체 배터리 배관공의 악몽에서 해법
안전하고 효율적인 전고체 배터리 배관공의 악몽에서 해법
스마트폰과 전기차 등 현대 기술의 핵심 동력인 리튬이온배터리가 더 안전하고 효율적인 형태로 진화하고 있다.
국내 연구진이 ‘배관공의 악몽(plumber’s nightmare)’이라 불리는 새로운 구조를 활용해 고체 전해질의 성능을 극대화하는 방법을 제시했다.
박문정 포항공과대학교(포스텍) 화학과 교수 연구진은 리튬 배터리의 성능을 높일 고체 전해질을 개발했다고 24일 밝혔다.
연구 결과는 미국 화학회(ACS)가 발행하는 국제 학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 온라인판에 지난 3일 게재됐다.
리튬 이온 배터리는 스마트폰을 비롯한 다양한 현대 기술에서 사용되고 있다.
다만 배터리의 핵심 부품 중 하나인 액체 상태의 기존 전해질은 누액이나 폭발의 위험성이 있다.
고체 전해질이 그 대안으로 떠오르고 있으나 전해질의 기계적 강도와 이온 전도도 간 균형을 맞추는 데 한계가 있었다.
연구진은 고체 전해질의 이온 전도도를 높이기 위해 수 몰(M)농도 이상의 리튬염을 사용하던
기존의 전해질 제작 방식과 달리 리튬염을 10분의 1 이하 수준으로 극소량만 추가해
배터리의 이온 전도도와 기계적 물성을 동시에 크게 높이는 방법을 제시했다.
연구진은 기존 고분자 전해질 시스템에서는 관찰된 적 없었던 정교한 ‘배관공의 악몽’ 구조를 만드는 데 성공했다.
배관공의 악몽 구조는 마치 배관의 출구들이 내부로 모여 있는 것처럼 고분자 사슬의 모든 말단이 안쪽으로 얽혀 있는 형태를 말한다.
이 구조는 고분자 사슬이 형성한 여섯 개 채널이 서로 모두 연결되어 있다.
결과적으로 전해질의 단단하고 견고한 구조를 유지하면서 리튬 이온이 빠르고 효율적으로 이동할 수 있는 환경을 만들었다.
실험 결과, 배관공의 악몽 구조로 인해 이온의 이동 경로와 고분자 배열 구조 사이의 상호작용이 극대화되면서 기존 층상 구조보다 이온 전도 효율이 60배 이상 향상됐다.
리튬 이온이 독립적인 경로를 따라 이동하면서 고분자 사슬의 느린 움직임에 영향을 받지 않기 때문이다.
또 그로 인해 이온이 이동하기 위해 넘어야 하는 ‘에너지 장벽’이 열 배 이상 감소해 기존 무기물 전해질의 에너지 장벽 수준과 유사해졌다.
기계적 강도와 이온 전도도 간 상충 문제를 해결하면서 저온에서도 안정적인 이온 전도성을 유지할 수 있게 된 것이다.
이번 연구 결과는 연구진이 지난해 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’에 보고한 배관공의 악몽 구조로 리튬 이온 배터리
성능을 극대화할 방법을 제시한 연구라 의미가 있다. 박문정 교수는 “블록 공중합체를 활용해 리튬 이온을 고분자
말단 특정 위치로 집중시키는 방식으로 고효율 이온 전도 메커니즘을 정립했다”며
“이번 연구가 차세대 전고체 배터리 개발에 전환점이 되기를 바란다”라고 전했다.
