UNIST는 삼성SDI와 함께 `미래형 이차전지 연구센터(센터장 조재필 교수)`를 설립해 기존의 리튬이차전지를 대체할 새로운 이차전지의 원천기술 공동 연구에 나선다. 특히 삼성SDI는 신설될 ‘미래형 이차전지 연구센터’에 5년 간 총 25억원의 연구비를 지원한다.
삼성SDI는 이차전지 분야 세계 점유율 1위 기업으로 대학과 연구 센터 공동 설립에 나선 것은 이번이 처음이다.
UNIST와 삼성SDI는 22일(화) 오후 2시 대학본부 6층 대회의실에서 연구센터 설립 협약식을 체결했다. 이 날 자리에는 조무제 UNIST 총장과 박상진 삼성SDI 사장, 강길부 국회의원 등이 참석했다.
‘미래형 이차전지 연구센터’에는 UNIST 연구진 30여명과 삼성SDI 연구원 10여명이 참여해 유연한 고체전지와 고전압 흐름전지, 충전 가능한 유연성 금속 공기전지 등을 다음 달부터 2019년까지 5년간 공동 연구할 계획이다.
조재필 센터장(에너지 및 화학공학부)은 “삼성SDI와 공동 연구를 통해 미래형 이차전지 원천기술을 선점 할 것”이라며 “UNIST가 삼성SDI 울산사업장과 지리적으로 15분 거리에 위치해 공동 연구에 따른 시너지 효과가 클 것으로 기대한다”라고 말했다.
UNIST 배터리과학 및 기술공학과는 이차전지개발에 특화된 대학원 과정으로 교수 8명, 대학원생과 연구원 90명이 연구 중이며, 이차전지 분야 연구 역량은 스탠퍼드대와 MIT를 능가하는 수준이라 평가받고 있다.
10분 만에 충전하고 동전 두께만큼 얇은 고성능 이차전지 개발
조재필 교수 연구팀이 기존 플랙서블 전지와 비교하여 10분 이내에 고속충전이 가능하면서도 전지 두께도 1mm 이내로 얇게 만들 수 있는 플랙서블 이차전지 원천기술을 국내 연구진이 개발했다.
향후 얇고 가벼우면서도 충전이 빠른 고성능 플렉서블 이차전지의 상용화 시기를 크게 앞당길 것으로 보인다.
조재필 교수팀은 리튬 이차전지의 핵심 요소인 전극 소재와 집전체에 나노 기술을 적용해 각각의 성능을 최적화함으로써 플렉서블 전지의 기술적 요구사항을 해결했다.
성능이 향상된 양극, 음극 소재 및 집전체를 이용해 두께 1mm이하의 최적화된 전지를 구성한 결과, 기존 플랙서블 전지가 1시간 걸리는 것에 비해 10분만에 100% 충전이 가능함을 확인했다. 또한, 구부림 테스트에서 200 사이클이 진행되는 동안에도 안정적인 수명 특성이 유지됨을 확인했다.
조재필 교수는 “본 연구에서 개발된 플렉서블 이차전지는 고속 충전이 가능하고, 극심한 구부림 테스트에서도 우수한 충？방전 특성을 구현하였기 때문에 향후 플렉서블 디바이스 시대를 앞당기는데 크게 기여할 것’이라고 연구 의의를 밝혔다.
이번 연구결과는 나노 레터스(Nano Letters) 7월호에 게재됐다.
신개념 리튬 이차전지 분리막 개발해 성능, 안전성 획기적 개선
이상영 교수 연구팀이 오팔(Opal) 보석 구조에서 착안하여 기존 리튬이차전지보다 성능과 안전성을 획기적으로 개선할 수 있는 분리막 소재 원천 기술을 개발했다
규칙적인 입자 배열을 특징으로 하는 오팔(opal) 보석 구조와 정반대 형태의 역 오팔(inverse opal) 구조를 갖는 신개념 분리막을 개발해 리튬이온 전달 특성 및 내열성을 크게 향상시킬 수 있었다.
이상영 교수 연구팀은 기존 분리막 소재의 고출력, 고속 충전의 어려움, 폭발, 발화의 위험 등 한계를 극복하기 위해 100 나노미터 크기의 실리카 나노입자를 가교반응*이 가능한 아크릴 고분자와 혼합했다. 이를 폴리에스테르 다공성 지지체에 채워 넣은 후 자외선에 15초 노출시킴으로써 가교 고분자를 제조했다. 여기서 실리카 나노입자만을 선택적으로 제거하는 간단한 공정으로 역 오팔 나노 구조 분리막을 개발했다.
* 가교반응 : 고분자 사슬이 서로 직접 또는 수개의 결합으로 연결되는 것으로, 가교 전에 비해 고분자의 기계적 강도가 증가함.
개발된 역 오팔 분리막은 150℃ 고온에서도 전혀 열수축이 발생하지 않아 전지 폭발 및 발화 위험성을 크게 감소시켰다. 기존 전지에 비해 3배 이상의 출력 특성, 2배 이상의 충전 속도 및 3배 이상의 수명 연장 등 높은 성능 향상을 보였다. 게다가 우수한 친수성으로 인해 기존 전지에서는 적용되기 어려웠던 극성 전해액 사용도 가능했다.
이상영 교수는 “기존 소형 전지뿐 아니라 전기자동차 및 스마트 그리드용 중대형 전지의 성능과 안전성을 한 차원 향상시킬 수 있는 신개념 분리막의 기술적 토대를 마련했다”라고 연구 의의를 말했다.
이번 연구결과는 나노 레터스(Nano Letters) 온라인판에 게재됐다.
