한번 충전으로 800㎞ 주행… 카이스트, ‘꿈의 배터리’ 개발

김범준·이승우 교수팀 개가

에너지밀도 높아 대용량 충전
화재·안전문제 해결할수 있어

한 번만 충전하면 800㎞까지 주행이 가능한 전기자동차가 나올 수 있을 전망이다. 고무처럼 신축성이 큰 신개념 고분자 전해질로 전기차 주행거리를 크게 늘리는 배터리 기술이 카이스트와 미국 조지아공대 공동 연구로 개발됐기 때문이다.

14일 카이스트에 따르면, 김범준 카이스트 생명화학공학과 교수 연구팀은 이승우 조지아공대 교수팀과 공동연구를 통해 고무 형태인 엘라스토머 고분자 전해질을 새로 개발하고, 이를 적용한 세계 최고 성능의 전고체 전지(전해질을 고체로 만든 배터리)를 구현했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지인 ‘네이처’에 13일 실렸다.

전고체 리튬메탈 전지는 이차전지에 사용되는 휘발성이 높은 액체 전해질을 고체로 대체해 화재·자동차 안전사고를 막을 수 있는 미래기술로 평가받는다. 상용화된 리튬이온 전지보다 에너지밀도를 높일 수 있어 대용량 충전이 가능하고, 안전 문제도 해결해 ‘꿈의 배터리 기술’로 불린다.

공동 연구팀은 상온에서 리튬 이온의 전도도가 탁월하고 기계적 신축성이 모두 확보된 엘라스토머 고분자 전해질을 개발했다. 이를 전고체 전지에 적용해 ㎏당 410Wh의 세계 최고 성능을 보이는 전고체 리튬메탈 전지를 구현했다. 카이스트 측은 “이 기술을 도입하면 한 번 충전 시 800㎞까지 주행 가능한 전기자동차 생산이 가능할 것으로 보인다”며 “안정성도 획기적으로 향상될 것으로 기대된다”고 말했다. 지금은 한 번 충전 시 500㎞ 수준까지 가능하다.

고체 전해질은 고분자, 산화물, 황화물 기반으로 나뉜다. 이 중 고분자 기반은 저렴하고 가벼우며 저온 대량생산할 수 있다는 장점을 갖는다. 문제는 상온에서 낮은 이온전도도를 보이고 충·방전 시 안정성이 떨어진다는 데 있다.

이에 연구팀은 신축성이 탁월한 엘라스토머 내부에 리튬 이온전도도가 매우 높은 플라스틱 결정 물질을 3차원적으로 연결한 엘라스토머 고분자 고체 전해질을 개발했다. 폴리에틸렌옥사이드 기반의 고분자 전해질에 비해 이온전도도가 100배 정도 향상됐다.

또 고무 같은 신축성은 전지 충·방전 시 안정성에 가장 큰 문제가 되는 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하는 것으로 나타났다. 실제로 얇은 리튬금속 음극과 니켈 리치 양극으로 구성된 4.5V 이상 고전압 전고체 전지에서도 안정적인 구동을 보였다.

박수진 기자 sujininvan@munhwa.com