울산과학기술원(UNIST)은 필름 형태 전해질을 잡아당기는 간단한 공정으로 전고체 배터리의 수명을 늘리는 데 성공했다고 17일 밝혔다.

강석주 UNIST 에너지화학공학과 교수와 주세훈 숙명여자대학교 교수 공동 연구팀은 오래가는 전고체 배터리를 구현할 수 있는 필름형 전해질을 새롭게 개발했다.

전해질은 배터리 음극과 양극 사이에서 리튬이온이 오가는 통로 역할을 하는 소재다. 기존 전기차나 대용량 에너지 저장 장치(ESS) 배터리는 인화성 액체 전해질을 사용한다. 고체 전해질을 적용한 고분자 전고체 배터리는 폭발과 화재 위험을 낮췄지만, 리튬이온 이동성이 떨어져 충·방전을 반복하면 용량이 감소하는 한계가 있었다.

연구팀은 리튬이온 이동성을 크게 개선한 불소계 고분자(PVDF-TrFE-CFE) 기반 필름형 전해질을 개발했다. 핵심은 필름형 전해질을 한 방향으로 잡아당기는 일축 연신 공정이다. 연신공정이 내부의 구불구불한 고분자 사슬을 펴줘 리튬이온 이동 통로를 확보하는 원리다. 고분자에 배합된 세라믹 가루(LLZTO)는 기계적 유연성과 난연성을 보완하고 이온 전도도를 높인다.

실험 결과, 연신 공정을 거친 순수 고분자 전해질의 리튬이온 확산 속도는 연신 공정을 거치지 않은 것보다 4.8배 빨랐으며 이온 전도도도 72% 상승했다.

이 복합 전해질을 리튬금속―리튬인산철(LFP) 배터리에 적용한 결과 수명이 늘어났다. 복합 전해질 적용 배터리는 200회 충·방전 후에도 초기 용량의 약 78%를 유지했다.

반면 연신 공정을 거치지 않은 순수 고분자 전해질은 200회 충·방전 시 용량이 초기의 55% 수준으로 떨어졌다. 난연 성능 검증 실험에서는 복합 전해질에 불이 붙은 지 단 4초 만에 불이 꺼졌다.

나종건 UNIST 연구원은 "내부 구조가 리튬이온 이동을 방해하는 고분자 전해질의 고질적 문제를 연신이라는 물리적 자극으로 해결할 수 있음을 입증한 연구"라고 말했다.

강석주 교수는 "고분자계 전해질은 무기계 고체 전해질보다 유연하고 대량 생산이 쉬운 소재"라며 "이번에 개발된 방법은 실험에 쓴 불소계 고분자뿐만 아니라 다양한 고분자 전해질에 적용돼 더 안전하고 오래가는 전고체 배터리 상용화를 앞당기는 데 도움이 될 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 UNIST, 한국연구재단(NRF), 과학기술정보통신부(InnoCORE)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 에너지 소재 분야 학술지인 에너지 저장 물질(Energy Storage Materials, IF 20.2)에 10월 31일 온라인 게재됐다.