포스텍 연구진, 1회 충전으로 630km달리는 '무음극재 배터리' 개발

폴리에틸렌이민 고분자·은·리튬염·카본블랙으로 구성된 이온 전도성 층을 구리 집전체 표면에 코팅해 전극을 제조했다. 이렇게 제조된 이온 전도성 기판은 충·방전 시 리튬 이온을 효과적으로 받아들이고, 내보내는 방식으로 배터리를 작동시킬 수 있다.<포스텍 제공>

박수진 포스텍 교수

꿈의 배터리로 불리는 무음극 배터리가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

포스텍은 화학과 박수진 교수·통합과정 조성진 연구팀이 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 서동화 교수·김동연 박사 연구팀과 공동 연구로 1회 충전해 오래 쓸 수 있는 무음극 배터리를 개발했다고 27일 밝혔다.

이 배터리의 부피당 에너지 밀도는 977와트시/리터(Wh/L)로 상용화된 배터리(약 700Wh/L)보다 40% 높아 한 번만 충전해도 630km를 달릴 수 있다.

통상 배터리는 충전과 방전을 거듭할 때 리튬이온이 드나들면서 음극재의 구조를 바꾼다. 시간이 갈수록 배터리 용량이 줄어드는 이유다.

음극재 없이 음극 집전체만으로 충·방전이 가능하다면, 배터리 용량을 결정짓는 에너지 밀도를 높일 것으로 여겨졌다. 다만, 실제로는 음극의 부피가 크게 팽창하며 배터리 수명을 악화시킨다는 치명적인 단점이 있다. 리튬을 안정적으로 저장하는 저장체가 음극에 존재하지 않아서다.

연구팀은 이온 전도성 기판을 더해 무음극 배터리를 통상적으로 사용되는 카보네이트 용매 기반 액체 전해질에서 구현하는 데 성공했다. 기판은 음극 보호층을 형성할 뿐만 아니라 음극의 부피 팽창을 최소화하도록 돕는다.

연구 결과, 배터리는 카보네이트 용매 계열 전해질 환경에서 고용량, 고전류밀도로 오랫동안 높은 용량을 유지했다. 기판이 리튬을 안정적으로 저장할 수 있음을 이론과 실험을 통해 검증했다.

또한, 아지로다이트(Argyrodite) 계열 황화물계 고체 전해질을 이용해 전고체 반쪽 전지를 구현했다. 장기간 높은 용량을 유지함을 확인함으로써 폭발하지 않는 배터리의 상용화를 더욱 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

박수진 교수는 "향후 고에너지밀도의 전지를 요구하는 시스템에서는 무음극을 기반으로한 개념이 반드시 필요한 연구"라며 "이러한 측면에서 이번 연구결과는 고무적인 결과이다"고 연구 의의를 설명했다.

이번 연구는 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈'에 실렸다.

김기태기자 ktk@yeongnam.com

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