Research

[POSTECH·서강대, 기존 리튬이온전지보다 2배 강력한 새로운 전지 기술 선보여]

 전기차, 드론, 에너지저장장치처럼 많은 전기를 오래 사용해야 하는 기술이 늘면서 더 강력하고 오래가는 배터리에 대한 수요가 급증하고 있다. 현재 널리 사용되고 있는 리튬이온배터리는 기술적 한계에 다다른 가운데 국내 연구진이 ‘전극’과 ‘전해질’을 단단히 결합하는 기술로 획기적인 돌파구를 마련했다. 

 우리가 일상에서 사용하는 스마트폰, 노트북 배터리는 대부분 ‘흑연’이라는 물질을 사용한다. 하지만 흑연은 저장할 수 있는 에너지양에 한계가 있다. 이에 비해 ‘실리콘’은 흑연보다 훨씬 더 많은 에너지를 담을 수 있어 차세대 음극 소재로 주목받아 왔다. 그러나 실리콘에는 큰 약점이 있다. 배터리를 충전하고 방전할 때마다 부피가 3배 가까이 늘었다 줄어들기를 반복하는데, 그 과정에서 전극과 전해질 사이에 틈을 만들어 결국 배터리 성능이 급격히 떨어졌다.

 이를 해결하기 위해 액체 전해질 대신 고체나 준고체 전해질(QSSE^*1 )을 사용하는 방법이 많이 연구되고 있지만 이들 역시 실리콘 전극이 크게 팽창하고 수축하는 과정에서 완전히 밀착하지 못하고 구조가 쉽게 벌어지는 한계가 있었다.

 이에 POSTECH·서강대 연구팀은 전극과 전해질이 서로 맞물려 결합하는 구조인 'IEE(In Situ Interlocking Electrode–Electrolyte)‘ 시스템을 개발했다.

 일반 배터리에서는 전극과 전해질이 단순히 맞닿아 있는 구조라면, IEE 시스템은 두 구성요소가 공유결합을 통해 화학적으로 서로 엉켜 단단히 결합하고 있다. 벽돌 사이에 시멘트가 단단히 굳어 건물이 흔들려도 무너지지 않는 것처럼, 실리콘이 부피 변화를 겪어도 전극과 전해질이 떨어지지 않고 밀착 상태를 유지한다.

 실험 결과, 기존 배터리는 몇 번의 충·방전만으로 성능이 급격히 떨어졌지만, IEE 시스템을 적용한 배터리는 오랜 기간 안정적인 성능을 유지했다. 특히 이 기술로 만든 배터리는 무게 1kg당 403.7 와트시(Wh), 부피 1L당 1,300와트시의 높은 에너지 밀도를 기록했다. 이는 기존 리튬이온배터리 대비 무게 기준으로는 60% 이상, 부피 기준으로는 2배 가까이 향상된 수치다. 같은 크기와 무게의 배터리로 전기차는 더 멀리 달리고, 스마트폰은 더 오래 사용할 수 있게 된 것이다.

박수진 교수는 “이번 연구는 고에너지 밀도와 고안정성을 동시에 갖춘 차세대 전지 기술의 가능성을 제시한 것으로 다양한 분야에서 차세대 배터리 기술의 활용 가능성을 열었다”라며 연구의 의의를 전했다. 서강대 류재건 교수는 “IEE 시스템은 전극과 전해질 간 계면 안정성을 획기적으로 개선해 실리콘 기반 전지의 상용화를 앞당길 수 있는 핵심 기술이 될 것”이라고 덧붙였다. 

 한편, 이번 연구는 화학과 박수진 교수, 한동엽 박사, 신소재공학과 한임경 박사 연구팀과 서강대 화공생명공학과 류재건 교수가 함께 진행했으며, 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 최근 게재됐다. 또한, 한국재료연구원, 한국산업기술진흥원 지원을 받아 수행됐다. 

DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202417143

1. 준고체 전해질(QSSE, Quasi-Solid-State Electrolyte): 완전한 고체도 아니고, 완전히 액체도 아닌 반고체 상태의 전해질을 말한다.