“한번 충전으로 800㎞ 주행”…KAIST ‘꿈의 배터리 기술’ 개발

엘라스토머 기반 고체 전해질 모식도 및 개발된 전고체 전지 성능 비교 그래프(사진 제공:KAIST)

■ KAIST-조지아공대, 세계 최고 성능 전고체 리튬 전지 구현

"한번 충전으로 800km까지 주행 가능한 전기자동차를 구현할 수 없을까?"

전기자동차의 주행거리 및 안전문제를 향상시킬 수 있는 차세대 이차전지가 주목을 받고 있는 가운데, 국내 연구진이 국제 공동 연구를 통해 새로운 개념의 엘라스토머 고분자 전해질을 개발하고 이를 통해 전고체 리튬 전지를 구현했습니다.

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 김범준 교수 연구팀과 미국 조지아공대 이승우 교수팀이 고무처럼 신축성이 탁월한 엘라스토머 내부에 리튬 이온 전도도가 매우 높은 플라스틱 결정 물질을 3차원적으로 연결해 엘라스토머 기반 고분자 전고체 전해질을 개발했으며, 이를 통해 세계 최고 성능의 전고체 리튬 전지를 구현했다고 밝혔습니다.

전고체 리튬 전지(all-solid-state lithium battery)는 이차전지에 사용되는 휘발성이 높은 액체 전해질을 고체로 대체해 화재 및 자동차 안전사고를 막을 수 있는 미래기술입니다.

현재 상용화된 리튬이온전지(Li-ion battery)에 비해 에너지밀도를 획기적으로 향상시켜 대용량 충전이 가능해 자동차 주행거리를 늘리고 안전 문제를 해결할 수 있는 '꿈의 배터리 기술'로 불립니다.

엘라스토머 기반 고분자 전해질의 물리적 특성 (높은 전도도 및 신축성)(사진 제공:KAIST)

■ 한번 충전으로 800km까지 주행 가능한 전기 자동차 구현 기대

엘라스토머 기반 고분자 고체 전해질을 이용해 전고체 리튬 전지를 구현했더니 에너지밀도가 세계 최고 수준인 1㎏당 410와트시(Wh)에 달했습니다. 현재 주로 쓰이는 고분자 전해질인 폴리에틸렌 옥사이드(PEO)를 기반으로 한 전지의 에너지밀도는 1㎏당 280와트시(Wh)입니다.

이 기술을 도입하면 현재 한번 충전으로 500㎞가량 가는 전기자동차의 주행거리가 800㎞까지 늘어날 수 있다고 연구팀은 설명했습니다.

또, 리튬금속 음극과 니켈 리치 양극(NCM-Ni83)으로 구성된 4.5V 이상 고전압 전고체 전지에서도 화재 등 이상 없이 안정적으로 구동됐습니다.

KAIST 김범준 교수는 "이번 연구를 통해 미래의 배터리라고 불리는 세계 최고 성능 전고체 전지를 개발했을 뿐만 아니라 엘라스토머 전해질이라는 기존과는 완전히 다른 새로운 종류의 고체 전해질을 개발해 소재 원천 기술을 확보했다는 것에 큰 의의가 있다.ˮ고 밝혔습니다.

공동연구를 수행한 미국 조지아공대 이승우 교수는 "이번 연구를 통해 개발한 엘라스토머 전해질은 기존의 고체 전해질이 가진 문제점을 획기적으로 개선하고, 제조 공정이 매우 간단해, 전고체 전지의 전해질의 게임체인저가 될 것으로 기대한다.ˮ고 설명했습니다.

이번 연구는 국제 학술지 '네이처(Nature)' 1월 13일 자에 실렸습니다. (논문명: Elastomeric electrolytes for high-energy solid-state lithium batteries)