경북대 김영규 교수팀, 물로 만든 난연성 고체전해질 개발

(왼쪽부터) 디푸 무루카다스 박사과정생, 박다연 석사과정생, 김민재 석박사연계과정생, 김화정 연구초빙교수, 김영규 교수./경북대 제공

경북대학교 김영규 교수 연구팀이 물 기반 공정으로 제조한 난연성 나트륨 이온 고체전해질을 개발했다. 친환경 제조 방식과 높은 안전성을 확보하면서도 전기화학적 성능을 크게 끌어올린 성과다.

연구팀은 기존 리튬이온전지가 지닌 화재 위험성과 제조 공정상의 유해성 문제를 개선하는 데 초점을 맞췄다. 

현재 상용 리튬이온전지는 인화성이 높은 유기용매 기반 액체 전해질을 사용한다. 이에 반해 연구팀은 제조 단계에서 유기용매 대신 물을 사용하는 수계 공정을 도입해 공정 안전성과 친환경성을 동시에 확보했다.

전하 운반체로는 리튬 이온 대신 자원 접근성이 높고 가격이 저렴한 나트륨 이온을 활용했다. 나트륨은 바닷물 등에 풍부하게 존재해 원가 부담을 낮출 수 있는 장점이 있다.

전해질 설계에는 인을 포함한 첨가제 SHMP(헥사메타인산나트륨)를 적용했다. SHMP는 고분자 사슬과 상호작용해 내부 구조를 조절하고, 나트륨 이온의 이동 경로를 확장하는 역할을 한다. 그 결과 이온전도도는 기존 대비 약 5배 향상됐다.

난연 특성도 확보했다. 인 성분은 열을 받으면 표면에 보호층을 형성해 화염에 노출돼도 전해질이 쉽게 연소되지 않고 형태를 유지하도록 돕는다. 실제로 해당 고체전해질을 적용한 소자는 반복 충·방전 2천 회 이후에도 초기 정전용량의 99.68%를 유지해 우수한 성능 유지 능력을 입증했다.

김영규 교수는 “친환경성과 난연성을 동시에 확보하면서 나트륨 기반 고체전해질의 전기화학적 성능을 개선한 사례”라며 “나트륨은 리튬보다 자원 접근성이 높아 비용 부담을 낮출 수 있고, 화재 위험을 줄인 에너지저장장치 구현이 가능하다”고 밝혔다. 

이어 “전기자동차와 휴머노이드 로봇(Physical AI) 등 안전성이 중요한 분야에서 활용 가능성이 클 것으로 기대한다”고 덧붙였다.

후속 고도화 및 사업화 연구는 대구시 소재 에너지 기업들과 공동으로, 기후에너지환경부의 ‘대구권 에너지기술공유대학’ 사업의 일환으로 추진될 예정이다.

이번 연구는 기후에너지환경부 에너지인력양성사업과 교육부 대학중점연구소지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 교신저자는 김영규 교수, 제1저자는 디푸 무루카다스 박사과정생이며, 박다연 석사과정생, 김민재 석박사연계과정생, 김화정 연구초빙교수가 연구에 참여했다.

연구 결과는 Springer Nature가 발행하는 국제학술지 Microsystems & Nanoengineering(JCR 상위 0.6%) 2월 11일자에 게재됐다.

/김락현기자 [e-mail]