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【신기술 2】 성능과 안전성 다 잡았다
2022년 12월 22일 (목) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2022년 12월호 - 전체 보기 )

성능과 안전성 다 잡았다
이차전지의 전해질 연구개발 동향
불소는 비싼 가격, 인체 및 환경에 유해하며 강한 독성 때문에 대체할 비불소계 전해질(F-free electrolyte) 개발이 필수적이었다. 국내 공동연구팀이 장수명 소듐(나트륨) 금속 음극재와 고출력 해수 전지를 위한 비불소계 전해질을 개발했다. 또한 전고체 리튬메탈전지(all-solid-state Li-metal battery)는 이차전지에 사용되는 휘발성이 높은 액체전해질을 고체로 대체해 화재 및 자동차 안전사고를 예방할 수 있게 되어 전고체 전지의 ‘게임체인저’라는 평이다. 국내 연구진에 의해 성능과 안전성 확보한 이차전지 전해질 연구 성과를 소개한다.  

정리 편집부 
자료 KAIST 
수소화붕소 소듐 기반 전해질의 수소화 소듐 기반 고체-전해질 계면 형성 메커니즘

유해한 불소 대체 가능한 비불소계 전해질 개발
불소(F)는 전지의 전기화학적 성능을 향상시키는데 크게 기여하여 현재 상용화된 리튬-이온 전지 외에도 다양한 차세대 전지 전해질의 필수 요소로 자리매김하고 있다. 다만, 비싼 가격, 인체 및 환경에 유해하며 강한 독성이라는 문제점을 가져 이를 대체할 비불소계 전해질 (F-free electrolyte) 개발이 필수적이다. 

이 교수 연구팀은 기존 불소계 전해질을 대체할 수 있는 비불소계 전해질을 설계해 매우 뛰어난 가격 경쟁력과 불소계 전해질의 전기화학적 성능을 상회하는 전기화학적 성능을 달성했다. 1)

소듐 금속 음극은 기존 리튬 이온 전지의 흑연 음극을 대체할 수 있는 높은 이론적 용량과(흑연: 372 mAh g-1, 소듐 금속: 1,166 mAh g-1) 리튬에 비해 매우 높은 지각 내 존재비로 인해(리튬: 0.002 %, 소듐: 2 %) 각광받고 있는 차세대 음극 소재 중 하나다. 하지만 소듐 금속 음극은 매우 강한 화학적, 전기화학적 반응성 때문에 지속적으로 유기 전해액과 반응해 소듐 표면에 불균일하고 두꺼운 고체-전해질 계면을 형성하고, 이는 충전 과정에 소듐 금속의 수지상 성장(나뭇가지 모양 성장)을 일으킨다. 소듐 금속의 수지상 성장은 고체-전해질 계면을 파괴해 새로운 소듐 금속을 유기 전해액에 노출시키고 추가적인 전해질 분해를 일으키며, 낮은 쿨롱 효율, 전지 단락 등을 발생시켜 전지 구동에 치명적이다. 

기존 불소계 전해질은 소듐 금속 표면에 불화 소듐을(NaF) 형성해 앞서 언급한 소듐 금속의 수지상 성장을 억제한다. 불화 소듐은 강한 기계적 성질로 인해 소듐 금속의 수지상 성장을 물리적으로 억제할 수 있음이 널리 알려져 있으나 불소계 전해질의 높은 가격, 불산(HF) 부산물 형성 등의 치명적인 문제점이 수반된다.
해수전지 개략도

‘고체-전해질 계면 재건 현상’… 불소계 
전해질보다 뛰어난 전기화학적 성능 
연구팀은 수소화 소듐(NaH)이 불화 소듐을 대체할 수 있다는 최근 연구 보고에 착안해 수소화붕소 소듐(NaBH4) 염을 이써 (ether, C-O-C 결합을 포함) 계열 유기용매에 녹인 전해질을 설계했다. 수소화붕소 소듐은 환원제의 일종으로 유, 무기 합성이 필요한 산업계에서 널리 사용되는 물질이다. 따라서, 같은 부피의 불소계 전해질을 제작하는 것에 비해 5~10 % 정도의 비용만이 소요돼 큰 가격 경쟁력을 가진다. 

연구팀은 비행시간형 이차이온 질량 분석을 통해(Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry, TOF-SIMS) 수소화붕소 소듐 기반의 전해질이 수소화 소듐이 우세한 고체-전해질 계면을 형성함을 밝혔다. 또한, 산화된 소듐 금속을 수소화붕소 소듐에 장시간 담가뒀을 때, 산화막이 점차 수소화 소듐으로 전환되는 것을 비행시간형 이차이온 질량 분석을 통해 확인했으며, 온라인 전기화학 질량 분석(Online Electrochemical Mass Spectrometry)을 통해, 수소화붕소 소듐 전해질을 이용해 전지 제작 후 8시간 정도의 휴지기에 수소 기체가 형성되는 것을 확인했다. 
(왼쪽부터) 생명화학공학과 이진우 교수, 김진욱 박사과정, 김지오 박사과정

결론적으로, 소듐 금속은 산화하려는 성질이 강해 표면에 불가피하게 산화막을 형성하는데, 수소화붕소 소듐은 환원성이 강해 표면 산화막을 환원시킬 수 있다. 소듐의 표면 산화막이 환원되면서 수소 기체가 발생함과 동시에 다시 소듐 금속과 반응해 수소화 소듐이 생성되며 연구팀은 이를 `고체-전해질 계면 재건 현상’이라고 명명했다. 이를 통해, 수소화붕소 소듐 기반의 전해질은 소듐-소듐 대칭전지에서 600 사이클, 소듐-알루미늄 반쪽 전지에서 99.67 %의 쿨롱 효율을 보여 불소계 전해질에 비해 매우 우수한 전기화학적 성능을 제공했다.

더 나아가, 연구팀은 수소화붕소 소듐 기반 전해질을 해수 전지에 적용했다. 높은 전류밀도인 1 mA cm-2에서 기존 불소계 전해질은 35회 정도의 수명 특성을 보인 반면, 수소화붕소 소듐 기반 전해질은 150회 이상의 장수명 특성을 달성했다. 마찬가지로, 기존 불소계 전해질의 출력밀도는 2.27 mW cm-2 에 그친 반면, 수소화붕소 소듐 기반 전해질의 출력밀도는 2.82 mW cm-2로 큰 차이를 보였다. 

연구팀이 개발한 수소화붕소 소듐 기반의 전해질은 비용 절감, 수명 특성 향상을 통해 해수전지의 상용화에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다. 제1 저자인 김진욱 박사과정은 “기존 소듐 전해질의 필수 원소였던 불소 없이도 불소계 전해질의 성능을 상회하는 전해질을 개발한 것은 큰 의미가 있다.” 라며 “앞으로 비불소계 소듐 전해질과 그에 따른 고체-전해질 계면에 관한 연구가 활발해질 것으로 판단된다.” 라고 말했다. 
(왼쪽부터) 이승우 교수, 김범준 교수, 한정훈 연구원, 이승훈 연구원

고무형태의 고체 전해질 개발… 
세계 최고성능 전고체전지 구현 
KAIST, 생명화학공학과 김범준 교수 연구팀이 미국 조지아공대(Georgia Tech) 이승우 교수팀과 공동연구를 통해 새로운 개념의 엘라스토머 고분자 전해질을 개발하고 이를 통해 세계 최고성능의 전고체전지를 구현했다. 2)

전고체 리튬메탈전지(all-solid-state Li-metal battery)는 이차전지에 사용되는 휘발성이 높은 액체전해질을 고체로 대체해 화재 및 자동차 안전사고를 막을 수 있는 미래기술이라는 평이다. 현재 상용화된 리튬이온전지(Li-ion battery)에 비해 에너지밀도를 획기적으로 향상해 자동차 주행거리 확보 및 안전 문제를 해결할 수 있는 `꿈의 배터리 기술’이다. 공동 연구팀은 상온에서 리튬(Li) 이온의 전도도가 탁월하며, 기계적 신축성이 모두 확보된 엘라스토머(고무) 형태의 고분자 전해질을 개발했으며, 이를 전고체전지에 적용해 410 Wh/kg의 세계 최고성능을 보이는 전고체 리튬 메탈전지를 구현했다. 
엘라스토머 기반 고체전해질 모식도 및 개발된 전고체전지 성능 비교 그래프
개발된 엘라스토머 기반 고체전해질을 이용해 구현된 전고체전기 및 기대효과

엘라스토머 고분자 기반 고체전해질
이러한 기술을 도입하면 현재 한번 충전으로 800 km까지 주행 가능한 전기자동차의 구현(현재 500 km수준)이 가능할 것으로 보이며, 기존의 액체 전해질을 적용한 리튬이온전지의 안정성을 획기적으로 향상할 것으로 기대된다. 고체 전해질은 크게 고분자 기반, 산화물 기반, 황화물 기반의 전해질로 나뉘는데, 현재 황화물 기반에서 가장 활발한 연구가 되고 있으나 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다. 고분자 기반 고체전해질은 원료가 매우 싸고, 저온 대량생산 공정, 가벼움의 장점을 갖고 있지만, 상온에서 낮은 이온전도도를 가지는 문제점이 있으며, 전지 충·방전 시 안정성이 떨어진다. 
개발된 엘라스토머 기반 고체 전해질을 이용한 전고체전지의 수명 성능 및 고속 방전 특성 그래프

연구팀은 고무처럼 신축성이 탁월한 엘라스토머 내부에 리튬 이온전도도가 매우 높은 플라스틱 결정 물질을 3차원적으로 연결한 엘라스토머 고분자 고체전해질을 개발했다. 연구팀이 개발한 전해질은 기존에 대표적인 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 기반의 고분자 전해질에 비해 100배 정도 향상된 10-3 S/cm의 이온전도도를 가진다. 또한, 고무처럼 신축성이 우수한 전해질은 전지 충·방전 시 안정성에 가장 큰 문제가 되는 리튬 덴드라이트(dendrite)의 성장을 억제해, 탁월한 전지 성능 및 안정성을 확보했다.
엘라스토머 기반 고분자 전해질 구조 및 전자현미경 이미지

개발된 고분자 전해질은 얇은 리튬금속 음극과 니켈 리치 양극(NCM-Ni83)으로 구성된 전고체전지에서 4.5 V 이상의 고전압에서도 안정적인 구동을 보였으며, 410 Wh/kg 이상의 세계 최고의 에너지밀도를 보였다. SK이노베이션의 최경환 차세대 배터리 센터장은 “전고체 배터리는 전기차 주행거리와 안전성을 획기적으로 늘릴 수 있다”며 “전고체 배터리 상용화 여부는 전기차 시장의 판도를 가를 중요한 과제로, 김범준/이승우 교수 연구팀이 개발한 엘라스토머 전해질은 기존의 고분자계 고체전해질의 한계를 해결한 획기적인 결과”라고 말했다. 이차전지 분야의 권위자인 서울대 강기석 교수는 “전고체 이차전지에 대한 세계적인 개발 경쟁이 치열한 가운데, 기존 고체전해질과 차별되는 엘라스토머 기반의 신규 고체전해질 개발은 이 분야의 발전에 새로운 가능성을 제시할 것이다.”라고 말했다. 
엘라스토머 기반 고분자 전해질의 물리적 특성

김범준 교수는 “이번 연구를 통해 미래의 배터리라고 불리는 세계 최고 성능 전고체전지를 개발했을 뿐만 아니라 엘라스토머 전해질이라는 기존과는 완전히 다른 새로운 종류의 고체전해질을 개발해 소재 원천 기술을 확보했다는 것에 큰 의의가 있다”라고 밝혔으며, 미국 조지아공대 이승우 교수는 “이번 연구를 통해 개발한 엘라스토머 전해질은 기존의 고체전해질이 가진 문제점을 획기적으로 개선하고, 제조 공정이 매우 간단해, 전고체전지의 전해질의 게임체인저가 될 것으로 기대 한다.”라고 밝혔다.
개발된 엘라스토머 기반 전고체전지 및 기존 기술과의 비교 그래프


1) 생명화학공학과 김진욱 박사과정, 김지오 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘에너지 인바이론멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’ 10월 10권 15호에 출판됐으며, 후면 표지논문(outside back cover)로 선정됐다논문명 : Designing Fluorine-Free Electrolytes for Stable Sodium Metal Anodes and High-Power Seawater Batteries via SEI reconstruction
2) 우리 대학 한정훈 및 조지아공대 이승훈 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처(Nature)’ 1월 13일에 출판됐다. 논문명: Elastomeric electrolytes for high-energy solid-state lithium batteries.

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