“불나고 터지는 배터리 끝?”⋯DGIST, 저온·화재 위험 잡은 차세대 전해질 개발

DGIST 에너지환경연구부 김재현 책임연구원(사진 뒷줄 맨 오른쪽) 연구팀./ DGIST 제공

DGIST 연구진이 저온에서도 안정적으로 작동하고 화재 위험까지 낮춘 차세대 리튬 금속 전지용 고체 전해질 기술을 개발했다. 전기차와 에너지저장장치(ESS) 등에 적용되는 고에너지밀도 배터리 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

DGIST는 에너지환경연구부 김재현 책임연구원 연구팀이 성균관대학교 이상욱 교수팀, 경북대학교 전상은 교수와의 공동연구를 통해 저온 환경과 고전압 조건에서도 안정성을 확보한 고분자 고체 전해질을 개발했다고 7일 밝혔다.

리튬 금속 전지는 기존 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 높아 차세대 배터리로 주목받고 있다. 하지만 액체 전해질을 사용할 경우 전극 계면의 불안정성과 리튬 수지상(dendrite) 형성으로 인해 화재 위험과 수명 저하 문제가 꾸준히 제기돼 왔다.

이를 해결하기 위한 대안으로 고체 전해질이 떠오르고 있으나, 기존 고분자 기반 고체 전해질은 저온에서 성능이 급격히 떨어지고 고전압 환경에서 안정성이 낮다는 한계가 있었다.

연구팀은 PEGDME 기반 고분자 네트워크에 불소계 에터(Fluorinated Ether·FE)를 결합한 새로운 고체 전해질을 설계해 문제 해결에 나섰다. 고분자와 첨가제 간 분자 상호작용을 활용해 구조 안정성을 높이고 리튬 이온 이동 특성을 개선한 것이 핵심이다.

실험 결과, 개발된 전해질은 영하 20도 이하에서도 동결 없이 1.46×10⁻⁴ S/cm 이상의 높은 이온 전도도를 유지한 것으로 나타났다. 또 전극 표면에 안정적인 보호층을 형성해 리튬 덴드라이트 성장을 억제하고, 고전압 양극 환경에서도 수명 특성이 향상된 것으로 확인됐다.

특히 난연 특성을 갖춰 배터리 화재 위험을 낮춘 점도 주목받고 있다.

연구팀은 이번 기술이 셀 내부에서 고분자를 형성하는 ‘인-시투(in-situ)’ 공정을 적용해 기존 액체 전지 제조 방식과의 호환성도 확보했다고 설명했다. 실제 배터리 제조 공정에 적용 가능한 수준의 성능을 입증하며 상용화 가능성 역시 확인했다는 평가다.

김재현 DGIST 책임연구원은 “이번 연구는 저온 환경에서도 안정적으로 작동하면서 안전성까지 확보한 고분자 고체 전해질 기술”이라며 “차세대 고에너지밀도 배터리 개발의 중요한 기반이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구에는 DGIST 에너지환경연구부 전인준 전임연구원이 공동 제1저자로, 김종민 선임연구원이 공동저자로 참여했다. 연구는 한국연구재단 중견연구사업 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 Energy Storage Materials 4월호에 게재됐다.

/김락현기자 [e-mail]