차세대 고강도 배터리 부품 양산화?

황원희 기자 | eco@ecomedia.co.kr | 입력 2020-06-27 18:32:33
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[환경미디어= 황원희 기자] 브라운 대학 연구진이 고체기반 리튬이온 배터리를 만들기 위해 사용되는 세라믹 소재의 강도를 두배로 향상시키는 방법을 발견했다고 밝혔다. 이같은 연구결과는 매터(Matter)지에 실렸으며 고체 배터리의 대량생산을 위한 유용한 기술이 될 수 있다고 알렸다. 

 


브라운 공대 박사 후기 연구원이자 수석저자인 크리스토스 아타나시오는 “현재 배터리의 액체 전해질을 세라믹 소재로 전환하는 데 큰 관심을 갖고 있다. 이제까지 고체 전해질에 대한 연구는 화학적 성질을 최적화하는 데 초점을 맞췄다. 이 작업을 통해 기계적 성질을 더욱 안전하고 실용적으로 만들어 널리 사용할 수 있는 길이 될 것으로 보인다”고 밝혔다.

 

전해질은 충전 시 혹은 방전 중에 리튬 이온이 흐르는 배터리의 음극과 양극 사이의 장벽 역할을 한다. 액체 전해질은 작동성이 우수한데 이는 오늘날 사용되는 대부분의 배터리에서 발견된다. 하지만 이는 약간의 문제가 있는데 높은 전류에서 리튬 금속의 작은 필라멘트가 전해질 내부에 형성될 수 있으며 이로 인해 배터리가 단락될 수 있다. 또한 액체 전해질 또한 인화성이 매우 높아 화재로 이어질 수 있다. 

 

고체 세라믹 전해질은 인화성이 없으며 리튬 필라멘트 형성을 방지할 수 있어 배터리가 더욱 높은 전류에서 작동된다. 그러나 세라믹은 제조 공정과 사용 중 파손될 수 있는 부서지기 쉬운 소재이다. 

 

연구진은 이번 연구를 위해 세라믹에 그래핀(초강도 탄소기반 나노물질)을 주입할 경우 전해질 기능에 필요한 전자적 특성을 유지하면서 소재의 파손강도(떨어지지 않고 균열에 견딜 수 있는 능력)를 높일 수 있는지 실험했다. 

 

아타나시오는 수년간 항공우주산업에 사용하기 위해 세라믹을 강화하기 위해 나노소재를 사용해 온 브라운 공대 교수 브라이언 셸든과 니틴 파드투어와 협업했다. 연구진은 연구를 위해 그래핀 산화물이라는 작은 혈소판을 만들어 LATP라는 세라믹의 분말과 섞은 뒤 이 혼합물을 가열해 세라믹 그래핀 복합체를 만들었다.

 

합성물의 기계적 테스트 결과 세라믹에 비해 견고성이 2배 이상 올라갔다. 또한 그래핀이 전기적 물성을 방해하지 않는 것으로 나타났다. 세라믹에 적당한 양의 그래핀이 첨가되었는지 확인하는 것이 관건이었다. 그래핀이 너무 적으면 강한 효과를 얻기 힘들다. 너무 많으면 전기 전도성이 생기는데, 전해질에서는 적합지 않다.

 

이 연구를 통해 나노 복합물이 일상용도에 사용가능한 기계적 성질을 가진 안전한 고체 전해질을 만드는 길을 제공할 수 있을 것으로 보인다. 연구진은 향후 그래핀 이외의 나노 소재와 다양한 종류의 세라믹 전해질을 통해 소재 개선을 위해 노력한다는 계획이다. 


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