[박수진 교수팀, 상용성 · 안전성 모두 확보한 리튬 배터리용 겔 전해질 개발]

화학과 박수진 교수 · 통합과정 남서하 씨 · 손혜빈 박사 연구팀은 안정성과 상용성을 모두 갖춘 겔 전해질 기반 배터리를 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘스몰(Small)’에 최근 게재됐다.

리튬이온 배터리는 전기차를 포함해 휴대용 전자제품이나 에너지 저장 장치 등 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 그런데, 배터리에 사용되는 액체 전해질은 화재와 폭발의 위험이 커 이를 대체할 전해질 개발 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그중 하나는 액체 전해질을 기반으로 한 기존 리튬이온 배터리와 전고체 배터리의 중간 형태인 반고체 배터리다. 이 배터리는 젤리 같은 겔(gel) 형태의 전해질을 사용하기 때문에 안정성과 에너지 밀도가 높으며, 수명도 비교적 길다.

겔 전해질을 제작하려면 장시간의 고온 열처리 공정이 필요한데, 그로 인해 전해질이 분해되는 등 배터리 성능에 악영향을 줄 수 있고, 제작 단가도 높아질 수 있다. 또한, 반고체 전해질과 전극 간 계면 저항도 겔 전해질 제작 공정에서 해결해야 할 과제이며, 특히 기존 연구들은 까다로운 제작 방식이나 대면적화의 어려움과 같은 공정상의 한계로 현재 상용 배터리 생산 라인에 바로 적용할 수 없다는 문제가 있었다.

박수진 교수 연구팀은 이중 기능성 가교형 첨가제(Cross-linkable additive, 이하 CIA)인 디펜타에리트리폴 헥사아크릴레이트(이하 DPH^*1)과 전자빔(e-beam)으로 이를 해결했다. 기존 파우치(pouch) 타입의 배터리 제작 공정은 전극 공정과 전해액 주입과 조립, 활성화 공정^*2과 가스 제거 공정^*3 단계로 이루어져 있는데, 연구팀은 가스 제거 공정 이후 전자빔 조사 공정만을 추가하는 단순한 방법으로 DPH에 이중 기능성을 부여했다. 연구팀이 사용한 CIA는 활성화 공정 단계에서는 양극과 음극 표면에 안전한 계면을 형성할 수 있도록 첨가제 역할을 했으며, 전자빔 조사 단계에서는 고분자 구조를 형성하는 가교제 역할을 했다.

연구팀의 겔 전해질을 활용한 파우치형 배터리는 초기 충 · 방전 과정에서 배터리 부반응으로 인한 가스 발생을 억제해 기존 대비 가스 발생량을 2.5배 줄였으며, 전극과 겔 전해질 간 호환성도 높아 계면 저항도 효과적으로 낮췄다.

이어, 1.2Ah(암페어아워)의 고용량 배터리를 만들어 전해질 분해가 가속화되는 55도에서 성능을 실험했다. 그 결과, 기존 전해질을 사용한 배터리는 가스가 다량 발생해 배터리가 팽창하고, 50사이클 이후에는 정상적인 구동이 어려웠다. 반면, 연구팀이 개발한 배터리는 가스가 발생하지 않고, 200사이클 이후에도 1Ah 용량을 유지해 안전성을 입증했다.

특히, 이번 연구는 기존 파우치형 배터리 제작 공정 라인을 유지하면서 빠르게 대량 생산할 가능하다는 점에서 의의가 크다. 전해질과 배터리의 안정성, 그리고 상용성 모두 확보하는 데 성공한 것이다.

박수진 교수는 “안정성과 상용성 모두 입증한 이번 연구는 전기차 산업에서 혁신적인 기술로 인정받을 것”이라며, “전기차뿐만 아니라 리튬 이온 배터리가 사용되고 있는 다양한 분야에서 큰 도움이 되기를 바란다”는 말을 전했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견과제 지원을 받아 수행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202401426

1. DPH
dipentaerythritol hexaacrylate

2. 활성화 공정
최초 충방전 과정을 통해 조립된 배터리가 전기적 특성을 갖도록 활성화하고 결함 여부를 파악하는 마무리 공정이다.

3. 가스 제거 공정
파우치 타입의 배터리는 활성화 공정을 거치면서 배터리 내부에 가스가 발생하는데 이때 발생한 가스를 없애주는 공정이다.