화재와 폭발에 강한 3중 배터리 탄생

DGIST(총장 이건우) 에너지환경기술부 김재현 책임연구원이 이끄는 연구팀은 "삼중층 고체 고분자 전해질"을 사용하여 대폭 향상된 화재 안전성과 연장된 수명을 제공하는 리튬 금속 배터리를 개발했습니다. 이 연구는 전기 자동차 및 대규모 에너지 저장 시스템을 포함한 다양한 응용 분야에 희망을 줍니다.

기존의 고체 폴리머 전해질 배터리는 최적의 전극 접촉을 방해하는 구조적 제한으로 인해 성능이 좋지 않습니다.

이는 반복적인 충전과 방전 사이클 동안 리튬이 나무 모양의 구조로 자라는 "수상돌기" 문제도 제거할 수 없습니다.

수지상 결정은 리튬이 불규칙하게 성장하면 배터리 연결이 끊어져 화재와 폭발이 발생할 가능성이 있으므로 심각한 문제입니다.

따라서 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 전해질에 3중 층 구조를 개발했습니다.

각 층은 서로 다른 기능을 수행하여 배터리의 안전성과 효율성을 크게 향상시킵니다.

이 전해질은 화재를 방지하기 위한 "데카브로모디페닐 에탄(DBDPE)", 전해질의 강도를 강화하기 위한 "제올라이트", 그리고 리튬 이온의 빠른 이동을 용이하게 하기 위한 고농도의 리튬염인 "리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(LiTFSI)"를 통합했습니다.

3중 층 고체 전해질은 배터리의 기계적 강도를 높여주는 견고한 중간 층과, 부드러운 외부 표면은 우수한 전극 접촉을 보장하여 리튬 이온이 쉽게 이동할 수 있도록 해줍니다.

이를 통해 리튬 이온의 이동이 더 빨라지고 에너지 전달 속도가 향상되며 수지상 형성이 효과적으로 방지됩니다.

연구팀이 개발한 배터리는 1,000번의 충전 및 방전 사이클을 거친 후에도 성능이 약 87.9% 유지되는 것으로 실험 결과 나타났습니다. 일반적으로 성능의 70~80% 정도를 유지하는 기존 배터리와 비교해 내구성이 눈에 띄게 향상되었습니다.

또한 화재 발생 시 자체적으로 소화가 가능하여 화재 위험을 크게 줄일 수 있습니다.

이 배터리는 스마트폰, 웨어러블 기기와 같은 소형 기기부터 전기 자동차, 대규모 에너지 저장 시스템에 이르기까지 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

김 박사는 “이번 연구는 에너지 저장소자에 향상된 안정성과 효율성을 제공하는 동시에 [고체 폴리머] 전해질을 이용한 리튬 금속 전지의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 말했습니다.

본 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리사업(한양대 이정호 교수 주관)과 중견연구자지원사업(김재현 박사 주관)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 Wiley에서 발행하는 국제 학술지 Small에 표지 논문으로 게재되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241230131924.htm