연구성과

화학 박수진 교수 공동연구팀, 전기자동차 배터리 성능, 젤리 만드는 ‘한천’으로 높인다

2019-04-03 237

[한천(Agar) 활용해 고온에서 안정적인 고출력 차세대 전지 구현]

190403_연구성과_상세_박수진교수팀

전기자동차나 스마트폰과 같이 지속해서 충전과 방전을 계속해야 하는 이차전지는 충전할 때 열이 나는 열화현상을 잡아야 한다. 열화현상이 일어나면 배터리 소모가 심해지는 등 효율이 떨어지고 수명까지 줄어들기 때문이다. 국내 연구팀이 젤리의 원료로도 많이 사용되는 한천(agar)을 활용해 배터리의 열화현상 문제점을 해결했다.

화학과 박수진 교수·송우진 박사팀은 UNIST 최남순 교수·한정구 박사·신명수 연구팀, 울산과학대학교 유승민 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 고온 배터리의 열화현상을 억제할 수 있는 한천 기반의 분리막을 개발했다. 또 이를 이용해 고용량의 양극 물질(LMO, LNMO) 기반 배터리에 적용해 고온에서도 안정적인 구동이 가능한 고출력의 리튬이온 전지를 만들었다. 이 연구 성과는 세계적 권위지인 어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)에 최근 게재됐다.

그동안 유기 전해질 기반 리튬 이차전지는 고온 환경에서 불안정한 반응을 보여 양극 물질을 공격해 전해액이 용출되는 문제가 있었다. 이 현상 때문에 고전압 고용량의 리튬 이차전지는 고온에서 성능이 약화하고 이 점은 전기 자동차 상용화의 발목을 붙잡고 있다.

연구팀은 배터리 열화현상을 해결하기 위해 한천의 친수성에 주목했다. 천연 해조류에서 추출한 한천은 물을 좋아하는 친수성을 띠기 때문에 가루로 만들어 물을 부어 섞으면 탱글탱글한 젤리처럼 물을 붙들어두는 성질이 있다. 연구팀은 이런 한천의 성질을 활용하기 위해 유기 실리콘계 화합물을 반응시켜 한천의 친수성을 조절했고, 상을 분리하는 상전이(相轉移) 방법을 사용해 균일한 구멍이 많이 있는 고분자 막을 개발했다. 이렇게 만들어진 분리막은 유연하면서도 고온에서 열변형 없이 다공성 구조를 유지하는 특성을 보였다. 또 한천을 이용해 전극을 물리적으로 안정화하는 역할의 양극재 바인더를 개발하기도 했다.

한천 기반의 분리막과 바인더는 기존에 사용하던 리튬염(LiPF6) 기반 전해질만 사용했음에도, 고온에서 불안정한 반응을 억제하고 용출된 양극 물질을 흡착해 안정성을 높였다. 문제가 되었던 음극 표면의 저항층 피막형성을 억제하고, 전해질에 잘 젖는 한천의 장점 덕분에 리튬이온의 전도성이 증가해 빠른 충전과 방전에도 우수한 성능을 보였다.

박수진 교수는 “값싼 한천을 이용해 만든 다기능성 분리막과 바인더는 다양한 고성능 전지에 적용할 수 있는 소재로 고온에서 안정적인 배터리 운용에 크게 기여할 것”이라며 “또 상전이 법은 한천뿐만 아니라 다양한 분야에 적용할 수 있는 다공성 막 제작 기술로 자리 잡을 것”이라며 기대감을 밝혔다.

한편 이 연구는 글로벌 프론티어 사업의 지원으로 수행됐다.