고분자 전고체 전해질용 리튬 이온 전달 가속화제 개발
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최근 전기차 화재의 주요 원인인 배터리 내 액체 전해질을 대체하기 위해 전고체 배터리 연구가 활발히 진행 중이다. 하지만 상온에서의 매우 낮은 성능과 가격 등의 문제가 대두되고 있다. 고분자 기반 고체 전해질은 상온에서의 경쟁력 있는 이온전도도와 유연성, 단순한 제조공정의 장점이 있어 고용량 차세대 전고체 2차전지로 각광받고 있다.
이런 가운데 군산대학교 이민재 교수(화학과)와 연세대 박종혁 교수(화공생명공학과)가 공동 연구하여 고분자 전고체 전해질 내에 리튬 이온을 효과적으로 이동시킬 수 있는 이온염을 포함하는 선형 고분자를 추가로 도입하는 데 성공했다.
연구팀은 고체전해질의 뼈대가 되는 trimethylolpropane triacrylate (ETPTA) 고분자 매트릭스에 이온전도도와 리튬 이온 수송도를 크게 향상할 수 있는 새롭게 디자인된 이온성 고분자를 추가로 도입했고, 이로써 상용화된 액체 셀 수준의 이온전도도 및 셀 성능 결과를 구현했다.
본 연구에서 새롭게 디자인된 이온성 고분자는 poly(ethylene) glycol(PEG) 분자에 이온염을 포함하는 화학구조를 도입하여 구현함으로써 이루어졌다. 이온성 액체 구조를 고분자와의 결합을 통해 이온 가속화 효과를 나타낼 수 있는 고분자 물질을 제조하고 이를 실용화 가능 수준의 이온전도성 및 이차전지 성능을 확보한 사례는 이번이 처음이다.
연구결과, 4.2 x 10-1 mS cm-1 의 높은 상온 이온전도도와 200 사이클에서도 93.8% 용량이 유지된 우수한 결과를 보였으며, 이는 이온성 고분자가 리튬 이온 수송에 큰 기여를 할 뿐만 아니라 리튬메탈 표면 위의 덴드라이트를 효과적으로 억제하는 역할을 했기 때문으로 이해된다. 또한, 새롭게 제조된 전고체 고분자 전해질은 인위적으로 불을 붙여도 연소되지 않는 높은 난연 특성을 보였고, 동시에 높은 유연성을 가지고 있다.
이 연구 결과는 한국연구재단 미래소재디스커버리 사업(단장 성균관대 김덕준 교수) 등의 지원을 받아 수행되었으며, Wiley 출판사의 Advanced Energy Materials지(誌) 2021년 최신호에 게재되었다. /군산=남현봉 기자
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