연구성과

화학 박수진 교수팀, 공기 중에서 조립 가능한 배터리 개발

2021-01-28 763

– POSTECH-울산과학대, 대기 중에 불순물 포획하는 다기능성 분리막 개발
– 드라이 룸 없이 공정비 절감하는 배터리 제조 환경 가능성 열어

2020년 노벨 화학상의 영예는 리튬이온 이차전지를 개발한 인물들에게 돌아갔다. 리튬이온 이차전지는 소형 IT기기에서 전기자동차에 이르기까지 전기 기기의 필수 에너지 원천이 됐다. 최근 미국의 대표 자동차 기업인 테슬라에서는 혁신적인 생산 체계구축과 배터리 원가 절감의 필요성을 역설했다. 그만큼 전기자동차에서 배터리의 가격이 크게 차지하고 있고, 전기차 대중화를 위해 원가 절감은 반드시 필요하다.

화학과 박수진 교수, 박사과정 손혜빈씨 연구팀은 울산과학대학교 유승민 교수와 공동연구를 통해 공기 중에서 파우치 배터리를 조립했을 때에도, 배터리가 안정적으로 구동하게 하는 다기능성 분리막(multi-functional separator)을 개발하는 데 성공했다. 이 연구 결과는 국제학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)’ 온라인판에 최근 소개됐다.

배터리 내부의 전해액*1은 물과 반응해 변질되기 쉬우므로 리튬이온 배터리를 제조할 때는 1% 이하의 습도 환경을 만들어주는 드라이 룸(dry room)*2에서 제조한다. 하지만 드라이 룸을 유지하는 데는 상당한 비용이 소요된다.

이런 문제를 해결하기 위해 전해질에 첨가제를 투입해 수분 혹은 불산 같은 불순물을 억제하는 연구가 진행됐지만, 첨가제가 충·방전 중에 추가적인 역반응을 만들 수 있다는 단점이 있다. 실제 배터리가 높은 온도(50℃ 이상)에서 작동할 경우, 미량의 수분으로도 배터리의 성능 열화가 더 빠르게 일어난다. 그러므로 투입한 물질의 전기화학적 역반응 없이 배터리 내의 수분을 포획할 수 있는 재료가 필요하다.

이에 연구팀은 불순물을 포획할 수 있는 기능성 물질을 분리막 표면에 도입해 열적 안정성을 높이고, 배터리 성능을 향상시켰다. 제작된 다기능성 분리막은 우수한 내열성(140℃ 온도 조건에서 30분 저장 후 10% 내의 수축률, 일반 분리막: 50% 수축)을 보였고, 추가로 55℃ 고온에서 전기화학적 성능 향상(100회 충·방전 이후 초기 용량의 79% 유지)을 보였다.

또한, 불순물이 많이 존재하는 환경의 전해질에서 기능성 물질의 효과를 확인했다. 합성된 기능성 세라믹 표면의 실레인 화합물이 수분을 포획해 세라믹 구조를 잘 유지했지만, 일반적인 세라믹 물질은 산성화된 전해액으로 인해 부식된 것을 확인할 수 있었다. 더욱이, 이번 연구를 통해 드라이 룸이 아닌 대기 중에서 제작된 다기능성 분리막이 기존보다 뛰어난 수명 특성을 보이는 등 단순한 분리막의 역할을 넘어서 안정적인 성능을 제공하는 것을 확인했다.

그간 다양한 접근으로 배터리 분리막을 연구해온 박수진 교수는 “이번에 개발된 다기능성 분리막은 높은 안정성과 고에너지밀도에서 뛰어난 전기화학적 성능을 보인다”며 “배터리를 드라이 룸이 아닌 대기 중에 제조하는 것은 세계 최초로, 배터리 원가 절감에 큰 역할을 할 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 ‘방사선 고부가 신소재개발사업’ 과제의 지원으로 수행됐다.
 


1. 전해액
리튬 염과 염을 해리시켜주는 액체를 포함하는 물질을 통칭하며, 전기화학적 전류를 인가해줄 때 양극과 음극 사이에서 리튬 이온 이동을 시켜줌.

2. 드라이 룸(dry room)
실내 공기 조건이 노점 온도(dew point) -10℃ 이하의 제조실