한번 충전으로 800㎞…KAIST, 전고체배터리 개발

김범준 교수팀, 네이처에 게재

한번 충전하면 800㎞를 주행할 수 있는 전기자동차 배터리 기술이 개발됐다. ‘2차전지 산업 게임체인저’로 불리는 전고체전지 관련 기술이다.

KAIST 생명화학공학과 김범준 교수팀은 ‘엘라스토머’ 기반 고분자 전해질을 이용해 세계 최고 성능의 전고체전지를 구현했다고 13일 발표했다. 이 연구 성과는 세계 3대 학술지 ‘네이처’에 실렸다. 엘라스토머는 타이어, 신발, 지우개 등의 소재로 쓰는 신축성 좋은 플라스틱이다.

전고체전지는 현재 2차전지에 쓰이는 액체 전해질(이온 이동 통로)을 고체로 대체해 에너지 밀도를 높이는 신기술이다. 안전성과 자동차 주행거리를 획기적으로 늘릴 것으로 기대되고 있다. 고체 전해질은 크게 황화물, 고분자 형태로 구분된다. 황화물 전해질은 삼성SDI, 일본 도요타 등이 2025년 이후 상용화를 목표로 연구하고 있다. 고분자 전해질은 황화물 전해질에 비해 싸고 공정이 간단하지만, 이온 전도도가 낮아 충·방전 시 안정성이 급락하는 단점이 있다. 폴리에틸렌옥사이드(PEO)가 대표적 소재다.

연구팀은 엘라스토머 내부에 리튬 이온 전도도가 높은 플라스틱 결정을 3차원으로 배치한 고분자 전해질을 새로 개발했다. 이는 PEO보다 이온 전도도가 100배 이상 높은 것으로 나타났다. 이를 전고체전지로 구현한 결과 4.5V 이상 고전압에서도 안정적으로 작동했다. 기존에 학계에 보고된 전고체전지 최대 전압은 4V 이하였다. 충·방전 시 안정성을 떨어뜨리는 리튬 덴드라이트(금속 결정 찌꺼기) 생성도 훨씬 줄었다.

이해성 기자 ihs@hankyung.com