대구경북과학기술원(DGIST) 에너지환경연구부 김재현 책임연구원 연구팀은 저온에서도 안정적으로 작동하면서 화재 위험을 낮춘 리튬 금속 전지용 고체 전해질 기술을 개발했다고 DGIST가 7일 밝혔다. 이번 연구는 배터리의 안전성과 성능을 동시에 개선할 수 있는 기술로, 향후 고에너지밀도 배터리 상용화에 기여할 것으로 기대된다.
이번 연구는 DGIST 김재현 책임연구원을 비롯해 성균관대 이상욱 교수팀, 경북대 전상은 교수와의 공동연구로 수행됐다.
리튬 금속 전지는 높은 에너지 밀도로 차세대 배터리로 주목받고 있지만, 기존 액체 전해질을 사용할 경우 부반응으로 인해 계면이 불안정해지고 리튬 수지상(dendrite)이 형성되면서 화재 위험과 수명 저하 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 고체 전해질이 대안으로 제시되고 있으나, 고분자 기반 고체 전해질은 저온에서 성능이 급격히 떨어지고 고전압 환경에서 안정성이 낮은 한계가 있었다.
연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 PEGDME 기반 고분자 네트워크에 불소계 에터(Fluorinated Ether, FE)를 결합한 새로운 고체 전해질을 개발했다. 이 과정에서 고분자와 첨가제 간의 분자 상호작용을 통해 구조를 안정화하고, 기존 대비 성능을 크게 개선했다.
그 결과, 개발된 전해질은 영하 20℃ 이하에서도 동결 없이 높은 이온 전도도(1.46 × 10⁻⁴ S/cm 이상)를 유지했으며, 리튬 이온 이동성을 향상시켜 배터리 성능을 높였다. 또한 전극 표면에 안정적인 보호층을 형성해 리튬 덴드라이트 성장을 억제하고, 고전압 양극을 적용한 환경에서도 수명 특성이 향상된 것으로 확인됐다. 특히 난연 특성을 통해 화재 위험까지 낮춘 점이 주목된다.
김재현 책임연구원은 "이번 연구는 저온 환경에서도 안정적으로 작동하면서 안전성까지 확보한 고분자 고체 전해질 기술"이라며, "차세대 고에너지밀도 배터리 개발에 중요한 기반이 될 것으로 기대한다"고 말했다.
한편, 이번 연구는 DGIST 에너지환경연구부 전인준 전임연구원이 공동 제1저자로, 김종민 선임연구원이 공동저자로 참여했다. 연구는 한국연구재단 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐고, 결과는 국제학술지 Energy Storage Materials에 게재됐다.
