고이온전도성·고강도 고체전해질로 차세대 배터리 상용화 '성큼'

배터리 스타트업 유뱃(대표 이창규)이 포스텍 이기라 교수팀과 공동연구를 통해 우수한 이온전도성과 기계적 물성을 갖는 고분자 고체전해질을 개발했다고 7일 밝혔다.


해당 개발은 세계적으로 주목받는 리튬금속배터리(Lithium Metal Battery, LMB) 및 전고체배터리의 상용화를 위한 요소 기술로서 효율적 소재·공정 설계를 제시했다는 평가다. 이번 연구는 최근 재료·화학 분야 최상위급 국제 학술지 'Journal of Materials Chemistry A'의 후면 표지 논문도 장식했다.

유뱃에 따르면 전기자동차 수요의 지속적 증가 및 미래 항공 모빌리티 시장의 성장에 따라 더 높은 에너지밀도로 더 오래 사용할 수 있는 차세대 배터리에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.

현재 가장 널리 사용되는 상용 리튬이온배터리(Lithium Ion Battery, LIB)는 음극 소재로 '흑연'을 적용 중이다. 흑연은 화학적 안정성이 높은 반면 이론 용량(372 mAh/g)이 낮아 에너지밀도를 높이는 데 한계를 보인다.

유뱃 관계자는 "반면에 리튬금속은 흑연 대비 10배 이상의 이론 용량(3,860 mAh/g)을 가지고 있다"며 "배터리의 에너지 밀도를 획기적으로 높일 수 있는 소재"라고 했다. 이어 "흑연 대신 리튬금속을 음극 소재로 적용한 배터리가 바로 리튬금속배터리"라고 설명했다.


그러나 리튬금속 음극은 충전 과정에서 불균일한 수지상 돌기(Dendrite)가 성장해 수명이 짧고 안전성이 낮다는 단점이 있다. 고체전해질은 이러한 수지상 돌기의 성장을 억제하는 물리적 배리어(Barrier)이자 액체전해질을 대신하는 이온 전도체로서 사용된다.

이번에 유뱃이 공동 개발한 기술의 핵심은 상온·상압에서도 우수한 이온전도성과 기계적 강도를 갖는 고분자 고체전해질 소재와 이를 합성하는 공정의 상용성이다.

이중연속상 마이크로에멀션(Microemulsion)의 광중합(Photopolymerization)을 통해 나노 구조를 제어한 고분자 전해질은 고분자 지지체와 지지체 사이의 이온성액체(Ionic Liquid)가 모두 이온전도 채널로서 작용하도록 설계됐다. 이러한 구조는 높은 이온전도도(1.4 mS/cm)와 기계적 강도(0.8 MPa)를 구현한다. 마이크로에멀션 방식은 식품 및 화장품 산업에서 광범위하게 사용되는 공정이다. 공정 단가는 낮고 스케일업이 용이해 상용화가 유리할 전망이다.

이번 공동연구에 제1저자로 참여한 유뱃의 조석규 박사는 "범용 공정으로 첨단 소재를 개발하는 것은 산업적 관점에서 매우 중요하다"며 "유뱃에서 개발한 리튬금속배터리의 성능을 보다 개선하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대한다"고 했다.

이기라 포스텍 교수는 "계면활성제 기반의 이중연속상 형성원리를 응용해 이차전지용 고체전해질로 개발한 첫 번째 연구 결과"라며 "높은 이온전도성과 기계적 강도를 동시에 구현했다"고 말했다. 이어 "앞으로 에멀젼 기술을 융합해 추가적인 성능 개선도 가능할 것"이라고 덧붙였다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 미래소재디스커버리사업·중견연구자사업의 지원으로 수행됐다.

사진제공=유뱃