연구성과

화학 박문정 교수-첨단재료 손창윤 교수 공동연구팀, ‘데드존’ 없는 전고체 배터리용 고분자 전해질

2021-08-06 455

[POSTECH 공동연구팀, 고분자 전해질의 정전기적 계면 활용한 이온 전도 향상]

전기차의 수요가 늘어나면서 태생적으로 폭발이나 화재의 위험이 있는 리튬이온전지를 대체할 차세대전지인 전고체 전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그러나 전고체 전지의 낮은 이온 전도율은 전기차 대중화의 발목을 잡고 있다. 최근 POSTECH 연구팀이 이온 전도율을 떨어뜨리는 ‘데드존(dead zone)’ 없는 폴리머 전해질을 개발함으로써 전고체 배터리의 상용화가 눈앞으로 다가왔다.

화학과 박문정 교수·통합과정 민재민씨 연구팀과 첨단재료과학부 손창윤 교수 연구팀이 정전기적 상호작용에 의해 구조를 제어할 수 있는 새로운 고분자 고체 전해질을 개발했다. 이 연구는 기존의 2차원 패턴의 구조에 필연적으로 존재하는 ‘데드존(dead zone)’에서 이온의 이동도가 크게 떨어지는 문제점을 근원적으로 해결한 연구로 주목받고 있다. 이 연구성과는 에너지·화학 분야 권위지 미국국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)에 게재됐다.

아직까지 에너지 저장장치의 대부분 리튬이온전지이다. 리튬이온전지에서 이온은 액체로 된 전해질에 의해 이동하게 되는데, 조그만 손상에도 이 전해액에 누출되어 화재나 폭발로 이어질 수 있어 불안정하다. 이런 단점을 극복하기 위해 고체상태의 전해질을 사용하는 것이 전고체 전지이다. 특히 고분자 자체의 유연한 특성 때문에, 고분자 전해질 기반 전고체 전지는 충돌에도 안정적이고 인화성이 없어 화재로 이어질 위험이 낮다. 뿐만 아니라 같은 무게와 크기의 리듐이온 배터리와 비교했을 때, 에너지 밀도가 1.5배에서 1.7배가량 높아 더 오래가는 이점이 있다.

전고체 전지는 리튬이온전지와 달리 음극과 양극 사이에 분리막이 없이 전극과 전해질만으로 구성돼있는데, 연구팀은 고분자 전해질 내의 정전기적 힘을 제어함으로써 새로운 나노구조의 전해질을 개발했다. 정교한 합성법을 통해 서로 다른 정전기적 상호작용이 일어나는 이종의 고분자 전해질을 합성하고, 이 전해질의 나노구조를 X선 소각 산란 실험으로 확인했다.

또한, 광범위한 분자 역학(extensive molecular dynamics) 시뮬레이션을 통해 컴퓨터를 기반으로 전해질 내부의 이온분포를 국내 최초로 계산했다. 그 결과, 수 옹스트롱(Å)*1 단위에서 전하분포를 규명하고 실험결과와 일치함을 입증했다.

이 연구는 이종금속에서만 나타났던 특별한 나노구조를 고분자 전해질 소재로부터 관측했다는 것이 독창적이며, 이 나노구조가 형성되는 원인을 실험과 이론적 계산을 통해 체계적으로 규명했다는 점에서 의의가 크다. 또한, 고분자 전해질에서 Å단위에서 전하분포를 제어함으로써 2차원 패턴구조 대비 10배 이상의 높은 전도도를 가지는, 단단한 고체 전해질을 구현할 수 있는 방법을 제시한 첫 사례이다.

특히, 고분자 전해질 합성 분야에서 세계적인 선두그룹을 유지하고 있는 박문정 교수와 AI시대를 맞이하여 그 중요성이 날이 갈수록 부각되고 있는 컴퓨터 계산 전문가인 손창윤 교수와의 만남이 큰 시너지를 냈다.

연구를 주도한 박문정 교수는 “새로운 나노구조는 기존에 획일적으로 보고되던 2차원적 구조와 비교해 큰 폭의 전도도 향상을 가능케 한다”며, “이번 연구를 기반으로 전고체 전지의 상용화를 앞당기고 안전한 배터리를 개발하는데 기여할 수 있을 것이다”고 기대감을 밝혔다.

한편, 이 연구는 연구재단 중견연구자 사업, 연구재단 미래소재디스커버리 사업, 연구재단 선도연구센터 사업, 신진연구자 사업의 지원으로 수행됐다.
 


1. 옹스트롱(Å)
빛의 파장, 원자 사이의 거리를 재는 데 사용하는 길이의 단위. 원자·분자의 크기나 결정의 격자 간격은 1Å 정도이다.