- [2022. 5. 12.] 연세대 이상영 교수팀, 기존 대비 3배 이상 전극 용량이 증가한 고분자 전고체 리튬전지 개발 2022.05.12
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신촌 홍보팀
연세대 이상영 교수팀, 기존 대비 3배 이상 전극 용량이 증가한 고분자 전고체 리튬전지 개발
- 고분자 전해질이 도입된 후막 전극에 의해 전기차 주행거리 향상 기여 -
- 세계적인 학술지 ‘Nature Communications’ 게재 -
연세대학교 이상영 교수(화공생명공학과) 연구팀은 고분자 전해질이 도입된 후막 전극을 이용해 기존 대비 3배 이상 전극 용량이 증가한 고분자 전고체 리튬전지를 개발했다. 이번 연구는 전기차 주행거리 증대 및 안전성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대되며, 전 세계적으로 높은 관심을 받고 있는 전고체 전지의 상업화를 위한 경제성이 확보된 새로운 개념을 학술적으로 제시했다는 점에서 의의가 있다.
전자기기 성능의 급속한 발전에 따라, 이를 구동하기 위한 고성능 이차전지 개발의 필요성이 증대되고 있다. 대표적으로, 전기자동차의 폭발적인 수요 확대로 고에너지 밀도 전지의 확보가 절실한 상황이다. 최근 에너지 밀도가 높은 새로운 전극 활물질에 대한 연구가 활발히 수행되고 있지만, 이러한 신규 전극 활물질을 실제 이차전지에 적용하기 위해서는 많은 시간과 노력이 필요하다.
기존 전극 활물질을 그대로 사용하면서 비교적 쉽게 전지의 에너지 밀도를 높이는 방법은 전극의 활물질 코팅층 두께를 증가시키는 것이다. 예를 들어, 25 um 두께의 기존 전극 8장을 200 um 두께의 후막 전극 1장으로 교체할 경우, 전지의 무게와 부피를 30% 이상 감소시킬 수 있으며 이를 통해 전지 에너지 밀도 향상을 도모할 수 있다.
그러나 후막 전극의 상업적 적용은 두 가지 이유로 많은 어려움을 겪고 있다. 첫째로, 기존 전극 제조 공정에서는 전극 건조 과정 도중 물리적 균열이 발생하는 문제로 인해 전극의 후막화가 쉽지 않다. 둘째로, 후막 전극에서는 전자 및 이온의 이동이 어려워 전기화학적 특성이 크게 저하된다. 이에 대한 해결책으로 새로운 전극 구조 도입 등 다양한 시도가 보고되고 있지만, 복잡하고 값비싼 제조 공정이 요구되며 이로 인해 오히려 후막 전극의 상업화 가능성을 감소시키는 문제가 있다.
이러한 기존 기술의 한계를 극복하기 위한 차별화된 시도로, 연세대 이상영 교수 연구팀은 기존의 공정 용매 대신 가교 반응 기반 고분자 전해질을 전극 슬러리에 도입했다. 이를 통해 기존 전극 제조 공정을 그대로 사용하면서 가교 고분자 전해질이 포함된 후막 전극을 제조할 수 있었다.
본 연구의 고분자 전해질이 도입된 후막 전극은 기존 전극 제조 공정에서 물리적 균열 문제를 발생시켰던 전극 건조 단계가 필요 없게 돼, 300 um 이상의 높은 두께를 확보할 수 있었다. 또한, 전극 구성 성분들을 균일하게 분포시킴으로써 원활한 이온 및 전자 전달이 가능했다.
이를 통해 기존 상용 전극 용량 대비 3배 이상 높은 12 mAh/cm2 수준의 고용량이 확보된 후막 전극을 제조할 수 있었으며, 최종적으로 이러한 고분자 전해질 기반 후막 전극을 이용해 파우치 형태의 고에너지 밀도 전지를 구현함으로써 전고체 전지의 실질적 상업화 가능성을 선보였다.
연세대 이상영 교수는 “이번 연구는 기존 리튬이온전지 제조 공정과 쉽게 접목 가능한 고분자 전해질 및 이에 기반한 후막 전극을 개발한 것으로, 이를 통해 상업화에 보다 근접한 수준의 전고체 전지 구현 가능성을 제시했다”며, “현재 교내 교원창업기업과 상업화를 위한 관련 후속 기술을 공동 개발 중이며, 향후 1~2년 내에 전기자동차용 고분자 전고체 전지 시제품을 선보일 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 밝혔다.
이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐으며, 국제 학술 권위지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 5월 9일 게재됐다.
(논문명: Redox-homogeneous, gel electrolyte-embedded high-mass-loading cathodes for high-energy lithium metal batteries).
붙임 연구자 사진 1장.
(사진 설명)
(왼쪽부터) 연세대 이상영 교수, 김중휘 제1저자, 김주명 제1저자
