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한 번 충전하면 800km 달리는 전기차용 전고체 전지 개발

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한 번 충전하면 800km 달리는 전기차용 전고체 전지 개발

2022.01.13 14:08
KAIST-조지아공대 연구팀
왼쪽부터 이승우 교수, 김범준 교수, 한정훈 연구원, 이승훈 연구원. KAIST 제공.
왼쪽부터 이승우 교수, 김범준 교수, 한정훈 연구원, 이승훈 연구원. KAIST 제공.

한번 충전으로 800km가지 주행 가능한 전기차 구현이 기대되는 전고체 배터리 기술이 개발됐다. 신축성이 있는 고체 전해질로 전고체 배터리를 구현한 것이다. 

 

KAIST는 김범준 생명화학공학과 교수 연구팀이 이승우 미국 조지아공대 교수팀과 공동연구를 통해 새로운 개념의 엘라스토머 고분자 전해질을 개발하고 세계 최고 수준 성능의 전고체 전지를 구현했다고 13일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 ‘네이처’에 12일(현지시간) 게재됐다. 

 

전고체 리튬메탈전지는 2차전지에 사용되는 휘발성 높은 액체 전해질을 고체로 대체해 화재나 자동차 안전사고를 막는 기술이다. 현재 상용화된 리튬이온전지에 비해 에너지 밀도를 획기적으로 향상시켜 전기차 주행거리를 늘릴 수 있을 것으로 기대되고 있다. 

 

연구팀은 상온에서 리튬 이온의 전도도가 탁월하고 기계적 신축성이 확보된 엘라스토머(고무) 형태의 고분자 전해질을 개발했다. 이를 전고체 전지에 적용해 질량에너지 밀도 410와트시(Wh)/kg의 전고체 리튬메탈전지를 구현했다. Wh/kg은 배터리의 에너지 밀도를 나타내는 단위로 배터리 kg당 저장할 수 있는 전기에너지를 의미한다. 한번 충전으로 800km까지 주행 가능한 전기차를 구현할 것으로 기대되는 수준이다. 

 

고체 전해질은 크게 고분자 기반, 산화물 기반, 황화물 기반으로 나뉜다. 현재 황화물 기반 고체 전해질이 가장 활발하게 연구되고 있으나 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다. 고분자 기반 고체 전해질은 원료가 싸고 저온 대량 생산 공정 등의 장점이 있지만 상온에서 이온전도도가 낮은 문제가 있다. 

 

연구팀은 고무처럼 신축성이 탁월한 엘라스토머 내부에 리튬 이온전도도가 매우 높은 플라스틱 결정 물질을 3차원으로 연결한 엘라스토머 고분자 고체 전해질을 개발했다. 연구팀이 개발한 전해질은 기존에 대표적인 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 기반의 고분자 전해질에 비해 이온전도도가 100배 정도 향상됐다. 

 

개발된 고분자 전해질은 얇은 리튬금속 음극과 니켈 리치 양극(NCM-Ni83)으로 구성된 전고체 전지에서 4.5V 이상의 고전압에서도 안정적으로 구동했고 410Wh/kg 이상의 세계 최고의 에너지밀도를 보였다. 

 

최경환 SK이노베이션 차세대배터리 센터장은 “전고체 배터리는 전기차 주행거리와 안전성을 획기적으로 늘릴 수 있다”며 “연구팀이 개발한 엘라스토머 전해질은 기존의 고분자계 고체 전해질의 한계를 해결한 획기적인 결과”라고 말했다.

 

김범준 KAIST 교수는 “엘라스토머 전해질이라는 기존과는 완전히 다른 새로운 종류의 고체 전해질을 개발해 소재 원천 기술을 확보했다는 것에 큰 의의가 있다ˮ라고 밝혔다.

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