리튬이온 배터리 발화 방지‧수명 연장 겔 전해질 개발

마르틴 루터 대학교 할레-비텐베르크(Martin Luther University Halle-Wittenberg, MLU) 연구팀이 높은 전도성을 가지면서도 열적으로 안정적이고 견고한 고분자 겔을 개발했다고 발표했다. 이 겔을 활용하면 리튬이온 배터리 안전성과 성능을 향상시킬 수 있다고 주장하고 있다.

겔 전해질을 사용한 충전식 배터리는 기존에도 존재했지만 리튬이온 배터리와 결합한 연구는 거의 없었다고 연구팀은 밝혔다. 이번에 개발된 전해질은 기존 액체 전해질과 고체 전해질 장점을 결합한 새로운 형태 겔 전해질. 이 겔은 피롤리디늄 염을 사용한 고분자를 기반으로 하며 공유 결합에 의한 교차 결합 구조와 수소 결합에 의한 동적인 교차 결합 구조를 갖고 있다.

이 전해질은 25℃에서 2~7×10⁻⁴S/m 이상 높은 전도성을 실현하고 200℃ 이상 고온에서도 견딜 수 있는 열 저항성을 갖추고 있다. 전기화학적으로도 안정적이며 5V 이상 전압을 견딜 수 있다. 또 불연성이어서 불에 노출되어도 발화하지 않는다는 점이 리튬이온 배터리 안전성 향상에 크게 기여할 것이라고 연구팀은 주장하고 있다.

또 이 겔은 70℃에서 4시간만 가열하면 원래 성능을 회복할 수 있어 배터리 재활용성을 크게 향상시킨다. 연구팀은 겔이 정확히 제조되고 교차 결합 구조가 적절히 유지된 경우 높은 투명성을 가진다고 추정하고 있다. 따라서 겔 투명성은 겔 균일성과 구성 성분의 완전한 결합을 나타내는 중요한 지표로 사용할 수 있다고 설명한다.

연구팀은 기존 리튬이온 배터리에서는 초기 충전 시 액체 전해질이 전극 위에 안정화 층을 형성하는데 이는 배터리 성능과 수명에 중요하지만 겔 전해질에 대해서는 근본적으로 새로운 설계가 필요했으며 고분자 분자 사슬에 이온성 구조를 결합하는 방법을 채택했다고 말했다.

또 리튬이온 배터리는 기존 충전식 배터리보다 빠르게 충전할 수 있어 생활 거의 모든 분야에서 사용되지만 전류를 전달하는 전해질이 가연성이라는 점이 문제였으며 배터리가 손상되면 발화나 폭발을 일으킬 가능성이 있었다고 지적했다. 하지만 이번 겔 전해질은 적절한 점도를 가지며 액체에서 유래한 높은 전도성과 고분자의 열 안정성 및 견고성을 결합한 게 특징이라는 설명이다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.