^*유변학((rheology): 물질의 흐름과 변형에 관한 학문으로 제품의 생산과정에서 각종 원료 물질이 외부의 힘(Force)에 의해 어떻게 변형하면서 흐르는지(流動)를 다루는 학문을 말한다.

^**바이폴라(bipolar): 전지 속 집전체 하나에 음극과 양극 활물질을 모두 바르는 구조로 전지 공간 활용에 유리하다.

[붙임] EES 2월호 표지 그림

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

플렉시블 기기/사물인터넷(Internet of Things, IoTs)과 전기자동차 시대가 다가옴에 따라, 이들 기기의 전원으로 널리 사용 중인 리튬이온전지의 에너지 및 안전성 향상에 대한 연구가 활발하다. 특히 최근 리튬이온전지의 폭발 사고가 빈번히 발생해 안전성 확보 기술의 중요성이 부각되고 있다. 이에 따라 에너지 용량이 크고(高에너지), 안정성이 높은 전지를 개발하기 위한 유망한 기술로서 ‘바이폴라(bipolar, 양극성) 구조의 전고체 리튬이온전지’ 시스템이 제안되고 있다.

바이폴라 구조의 전지는 집전체(集電體)*의 양면에 서로 다른 극성을 갖는 활물질(活物質)**을 바르는 바이폴라 전극(양극성 전극)을 사용한다. 그 덕분에 전지 내 비활성체인 집전체와 포장 물질을 최소화해, 단위 전지를 단순히 직렬 연결해 사용하는 것보다 부피 당 에너지 밀도를 높일 수 있다.

바이폴라 전지를 구현하는 필수요소는 고체 상태의 전해질***이다. 현재 대부분의 바이폴라 전지 연구에서는 ‘무기전해질’을 이용하지만 한계가 많다. 그러나 무기전해질은 이온 전도도가 낮고, 입자 간 저항이 있으며, 유연성이 낮아지는데다 제조공정도 복잡하기 때문이다. 이처럼 아직 해결되지 않은 무기전해질의 고질적인 문제들 때문에 바이폴라 전고체 리튬이온전지의 실질적 응용이 매우 어려운 실정이었다.

^*집전체: 외부 도선에서 제공되는 전자를 전극 활물질로 공급하는 매개체. 전자를 모으는 물질로 생각하면 된다.

^**활물질: 전지의 전극 반응에 직접적으로 관여하는 물질. 이차전지에서 크게 양극활물질과 음극활물질로 나뉜다.

^***고체 전해질: 바이폴라 전지 구조 내에서 인접한 셀(cell)들 사이에서 리튬 이온 이동을 막는다. 기존 리튬이온전지에서는 액체 전해질을 이용해왔으나 폭발 등에 취약해 고체 전해질을 쓰는 연구가 활발하다.

2. 연구내용

본 연구에서는 이런 한계를 극복하기 위해 유연성과 난연성이 동시에 확보된 새로운 ‘고체상 유기전해질’을 개발하고, 단계적 프린팅(printing) 및 광가교(빛을 쪼여서 단단하게 만듦) 공정을 도입해 열적 안정성이 현저히 확보된 ‘플렉시블 바이폴라 전고체 리튬이온전지’를 구현했다. 특히 이번에 개발한 고체상 유기전해질은 기존 무기전해질 기반 리튬이온전지의 여러 문제점들을 해결하는 데 중요한 역할을 했다. 또 개발된 고체상 유기전해질과 이를 포함한 전극의 유변학 물성을 조절해 단계적 프린팅을 수행함으로써, 고온/고압 공정을 거치지 않고도 쉽고 빠르게 전고체 바이폴라 리튬이온전지를 제조할 수 있었다.

신규 고체상 유기전해질은 열적 안정성이 우수한 ‘나이트릴(nitrile)*계 전해질’과 ‘반상호 침투 고분자 구조체(Semi-IPN)’로 구성된다. 나이트릴계 전해질은 난연성(難練性)을 가져 불에 잘 타지 않는다. 기존 카보네이트(carbonate)**계 전해질 대비 우수한 열적 안정성을 나타내며, 80℃ 이상의 높은 온도에서도 안정적인 전기화학적 특성을 구현할 수 있었다. 반상호 침투 고분자 구조체는 선형 고분자와 광가교가 가능한 모노머(Monomers, 저분자)로 구성된다. 이 물질은 전해질과 전극의 유연성을 높이는 등 기계적 물성에 중요한 역할을 한다.

제조된 프린팅 전극과 전해질은 100회 이상의 굽힘 평가에서도 물리적 변형 없이 구조가 유지됐다. 또한 이러한 유연한 특성은 전고체 바이폴라 리튬이온전지에도 동일하게 적용돼 플렉시블 전고체 바이폴라 리튬이온전지를 구현할 수 있었다.

신규 고체상 유기전해질이 포함된 전극과 전해질의 유변학 물성(물질의 흐름과 변형에 관한 성질)을 조절해 일정 수준 이상의 외부 응력을 받게 되면 프린팅이 가능한 ‘요변성(Thixotropic, 搖變性)*** 유체’를 개발했다. 이렇게 개발한 프린팅 전극과 전해질을 단계적으로 인쇄해 다양한 형태(수직, 평면 방향)의 전고체 바이폴라 리튬이온전지를 구현할 수 있었다. 또한 자동차 윗면과 같은 곡면 위에 프린팅을 통해 전고체 바이폴라 리튬이온전지를 구현하는 것도 가능했다.

자동차 모형 위에 프린팅된 전고체 바이폴라 리튬이온전지는 화재 모사 실험에서도 폭발하지 않았다. 이뿐만 아니라 정상적으로 LED 램프를 작동시키는 등 기존 전지에서는 보고된 바 없는 우수한 안전성을 보였다.

^*나이트릴(nitrile): 탄화수소나 그 유도체의 탄소원자에 사이아노기(-C≡N)가 직접 결합한 화합물의 총칭.

^**카보네이트(cabonate): 탄산의 수소가 금속으로 치환된 염(鹽, salt)으로, 이산화탄소와 금속산화물 또는 수산화물로 구성되는 화합물. 기존 액체 전해질은 카보네이트계 물질을 주로 사용해왔다.

^***요변성(thixotropic): 젓거나 흔들면 젤(gel)처럼 출렁거리는 상태로 변하고, 이것을 방치하면 묵처럼 말랑한 졸(gol)로 되돌아가는 성질.

3. 기대효과

이번 연구에서 개발한 전고체 리튬이온전지는 화재 모사 실험에서 보였듯 기존에 보고되지 않은 높은 수준의 안전성을 확보했다. 이와 함께 유연한 고전압 바이폴라 구조 구현을 실현시켰다. 또한 쉽고 간편한 프린팅 공정을 통해 전지를 제조할 수 있는 기술이다. 고에너지 밀도와 유연성, 안정성까지 확보한 이번 연구는 이차전지 분야에서 가장 크게 주목받고 있는 전고체전지의 상용화을 앞당기는 새로운 패러다임을 제공할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 에너지 및 환경과학(Energy & Exvironmental Science, EES)誌

에너지 및 환경과학(EES) 학술지는 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발행하는 세계적인 권위지로, 영향력 지수(Impact Fact)는 29.518에 이른다.

2. 바이폴라 전극(Bipolar Electrode)

전지에서 전자를 모으는 역할을 하는 집전체의 양면에 서로 다른 극성을 갖는 활물질을 도포한 전극을 말한다.

3. 틱소트로픽 유체(Thixotropic Fluid, 요변성 유체)

흐르는 특성을 가진 물체인 유체(流體, Fluid) 중에는 외부에서 힘이 주어지면 끈끈한 점성이 줄어드는 성질을 가진 요변성 유체(搖變性 流體)가 있다. 이런 유체를 휘젓거나 흔들면 시간이 지날수록 겉보기 점도가 점차 감소하는 특성을 가진다.

4. 전고체 리튬이온전지

기존 상업화된 리튬이온전지는 액체 상태의 전해질을 사용하고 있다. 이 부분을 고체 형태의 전해질로 바꿔서 전극과 전해질이 모두 고체로 이뤄진 리튬이온전지를 일러 전고체 리튬이온전지라고 부른다. 전고체 리튬이온전지는 전해액이 샐 우려가 없고 전지 안전성도 현저하게 개선할 수 있다.

[붙임] 그림 설명