군산대 이민재 교수와 연세대 박종혁 교수가 고분자 전고체 전해질 내에 리튬 이온을 효과적으로 이동시킬 수 있는 이온염을 포함하는 선형 고분자를 추가로 도입하는데 성공했다.
두 교수는 고체 전해질의 뼈대가 되는 ETPTA 고분자 매트릭스에 이온 전도도와 리튬 이온 수송도를 크게 향상시킬 수 있는 새롭게 디자인된 이온성 고분자를 추가로 도입했다.
이로써 상용화된 액체 셀 수준의 이온전도도 및 셀 성능 결과를 구현했다.
이번 연구결과는 최근 전기차 화재의 주요 원인인 배터리 내 액체 전해질을 대체하기 위해 전고체 배터리 연구가 활발하게 진행중인 가운데 나온 것이어서 더욱 주목을 끌고 있다.
그동안에는 상온에서의 매우 낮은 성능과 가격 등이 걸림돌로 작용했다.
고분자 기반 고체 전해질은 상온에서의 경쟁력 있는 이온전도도와 유연성, 단순한 제조공정의 장점이 있어 고용량 차세대 전고체 2차전지로 각광받고 있다.
이번에 새롭게 디자인된 이온성 고분자는 poly(ethylene) glycol(PEG) 분자에 이온염을 포함하는 화학구조를 도입하여 구현함으로써 이루어졌다.
이온성 액체 구조를 고분자와 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 보였다.
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 Wiley 출판사의 Advanced Energy Materials지(誌) 2021년 최신호에 게재됐다.
