이미지 확대보기미국 조지아공대(Georgia Tech) 이승우 교수 연구팀 과카이스트대 김범준 교수(생명화학공학) 연구팀이 그 주인공이다.
전기차의 핵심 부품은 배터리다. 한번 충전으로 얼마큼 주행이 가능한 것인가가 가장 큰 기술 이슈다. 현재 배터리의 성능을 획기적으로 늘릴 수 있는 '전해질'을 이승우, 김범준 교수 연구팀이 공동으로 개발한 것이다.
이승우 교수에 따르면, 새로운 개념의 '엘라스토머 고분자 전해질'을 개발했고 이를 기반으로 세계 최고 성능의 '전고체 전지'를 구현해냈다.
이승우 교수와 더불어 조지아공대 이승훈 연구원과 카이스트 한정훈 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 논문은 국제학술지 '네이처(Nature)' 지를 통해 공개됐다. 논문명은
"Elastonmeric electrolytes for high-energy solid-state lithium batteries"이다.
이미지 확대보기'전고체 리튬메탈전지(all-solid-state Li-metal battery)'는 이차 전지에 사용되는 액체 전해질을 고체로 대체한 것이다. 액체는 휘발성이 강하고 전기차 화재 사고 시 위험성 높아 지속적으로 문제가 돼 왔다.
반면 고체 전해질 기반 배터리는 리튬이온전지(Li-ion battery)에 비해 에너지 밀도를 획기적으로 향상 시켜 자동차 주행거리를 늘릴 수 있다. 또한 안전 문제를 해결할 수 있다는 측면에서 '꿈의 배터리' 기술로 불린다.
이승우 교수 공동 연구팀이 개발한 고분자 전해질은 상온에서 리튬(Li) 이온의 전도도가 탁월하다. 형질은 기계적 변형이 용이한 엘라스토머(고무) 형태로 만들어졌다. 이를 전고체 전지에 적용해 세계 최고 성능을 가진 '전고체 리튬 메탈전지'를 구현했다.
연구팀은 "이 기술을 도입하면 현재 한번 충전으로 800km까지 주행 가능한 전기 자동차를 만들 수 있을 것"이라고 기대했다. 현재는 500km까지 주행 가능하다.
비용적인 측면에서도 유리하다.
현재 고분자 기반 고체 전해질은 원료가 매우 저렴하다. 저온에서 대량 생산이 가능하고 가볍다는 장점도 있다. 그러나 여전히 상온에서 낮은 이온전도도를 가지는 문제점이 있고 전지를 충전하거나 방전될 경우 안정성이 떨어진다.
이승우 교수는 이와 관련해 "이번에 개발한 전해질은 기존에 사용되고 있는 대표적인 폴리에틸렌 옥사이드(PEO) 기반의 고분자 전해질과 비교해 100배 정도 향상된 10-3 S/cm의 이온전도도를 가진다. 또한 고무처럼 신축성이 탁월한 전해질을 통해 전지 충‧방전 시 안정성에 가장 큰 문제를 일으키는 리튬 덴드라이트(dendrite)의 성장을 억제해 안전성을 높였다"고 강조했다.
이어 그는 "이번 연구를 통해 개발한 엘라스토머 전해질은 기존의 고체전해질이 가진 문제점을 획기적으로 개선했다. 제조 공정이 매우 간단하기 때문에 전고체 전지에 들어가는 전해질 분야의 '게임체인저'가 될 것으로 기대한다"고 밝혔다.
함께 공동 연구에 참여한 김범준 카이스트대 교수는 "엘라스토머 전해질이라는 기존과는 완전히 다른 새로운 종류의 고체 전해질을 개발해 소재 원천 기술을 확보했다는 데 큰 의미가 있다"고 했다.
한편, 이승우 조지아공대 교수는 서울대 화학공학과에서 학부 과정을 마치고 MIT에서 박사학위를 취득했다. MIT에서 박사 후 연구원을 마친 뒤 지난 2013년부터 조지아 공대 기계공학과 교수로 재직 중이다. 주요 연구 분야는 에너지 저장 및 변환 기술과 수소를 발생시키는 전기 촉매 연구 등이다.
박예진 기자 postmoneynews@gmail.com
