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인하대, 반고체 배터리 전해질 난제 해결 위한 원천기술 개발
전기차 화재 해결책 제시 가능성으로 주목… 네이처 게재

[인더스트리뉴스 이건오 기자] 인하대학교는 최근 오동엽 고분자공학과 교수가 반고체 배터리의 전해질 개발 난제를 해결할 수 있는 원천기술을 개발했다고 밝혔다.

사진 왼쪽부터 인하대학교 오동엽 고분자공학과 교수, 서강대학교 박제영 화공생명공학과 교수, 경희대학교 황성연 식물환경공학과 교수 [사진=인하대]

오동엽 고분자공학과 교수는 박제영 서강대학교 화공생명공학과 교수, 황성연 경희대학교 식물환경공학과 교수와 공동연구를 통해 200ppm(약 0.02%)의 극소량만 첨가해도 액체를 단단하게 굳힐 수 있는 나노 소재를 개발했다.

이번 연구 성과는 전기차 소비자들이 우려하는 화재 문제의 해결책을 제시할 수 있다는 점에서 주목되고 있다.

연구진에 따르면, 기존 배터리는 액체 전해질이 양극과 음극 사이의 이온 전달을 담당한다. 액체 전해질은 외부 충격에 노출되면 밖으로 샐 위험이 있고 이로 인해 내부 소재에 물리적 손상을 줘 폭발이나 발화의 위험성이 있다. 반면, 반고체 배터리는 전해질이 고체 형태로 돼 있어 쉽게 새지 않고 내부 부품에 물리적 손상을 최소화해 폭발·발화 위험이 크게 감소한다는 점에서 꿈의 배터리로 여겨진다.

반고체 배터리를 상용화하기 위해선 고체 전해질 개발이 필요하다. 고체 전해질은 외부 충격에 강하고, 형태를 잘 유지하면서 내부 이온을 효과적으로 전달할 수 있어야 한다. 고체 전해질은 액체 전해질에 고분자 물질을 첨가해 굳힌 젤을 이용해 만든다. 기존의 고체 전해질은 10% 이상의 첨가제를 포함해 내부 이온 확산 속도가 매우 낮다. 또한 첨가제 양을 줄이면 형태를 유지하지 못한다.

이번에 개발한 나노 소재는 고체 전해질 개발에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다. 연구팀은 방탄복 제작에 사용되는 고강도 섬유인 케블라에서 특별한 나노섬유 소재를 추출하는 데 성공했다.

1g의 케블라 나노섬유는 물, 카보네이트계 액체 전해질, 화장품용 오일 등 다양한 액체를 최대 5리터(l)까지 굳힐 수 있다. 케블라 나노섬유는 건축물 철근과 같은 역할을 해 젤을 구조적으로 지지하기 때문이다. 첨가되는 양도 매우 적어 이온 등 내부 물질의 확산 속도가 순수 액체와 비교했을 때 차이가 거의 없다.

케블라 나노섬유를 첨가해 만든 수화젤(물에 첨가제를 넣어 만든 젤)은 뛰어난 기계적 강도를 가진다. 수화젤은 2kg의 하중에도 무너지지 않고 견딜 수 있으며 1만번 반복적으로 찌그러뜨렸을 때도 본래 모양을 회복했다. 100℃에서 끓여도 망가지지 않는 등 열 안정성도 입증했다.

오동엽 고분자공학과 교수는 “케블라 나노섬유는 극소량의 첨가제를 사용해 액체를 단단한 고체로 만드는 핵심 기술”이라며, “고체 전해질뿐 아니라 인공 관절 제조와 사막 지역에서 식물을 재배하기 위한 수분 보유 재료 개발 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 할 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 과기부의 나노 및 소재기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 세계 상위 0.1% 학술지인 ‘네이처 머더리얼스(Nature Materials)’에 최근 게재됐다.

[이건오 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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