겔(Gel) 타입의 전해질로 폭발 없는 배터리 만든다- 우수한 이온전도도를 가지는 고체특성 이온성 액정 겔 전해질 개발

겔(Gel) 타입의 전해질로 폭발 없는 배터리 만든다- 우수한 이온전도도를 가지는 고체특성 이온성 액정 겔 전해질 개발

 

연구팀 물질구조제어연구단 구종민 박사팀

 

겔(Gel) 타입의 전해질로 폭발 없는 배터리 만든다
   - 우수한 이온전도도를 가지는 고체특성 이온성 액정 겔 전해질 개발
   - 기존의 액체 전해질의 불안전성(증발, 누액, 발화, 폭발)을 획기적으로 개선
  
고성능 집적화에 따른 최신형 휴대폰 배터리의 발화 사건이 사회적 이슈이다. 제조업체들은 정확한 발화원인을 규명하지 못하고 있으며, 안전상의 문제가 심각한 것으로 보고되고 있다. 최근 국내 연구진이 이온전도 특성이 우수한 겔(Gel) 타입의 고체 전해질을 개발하여 폭발로부터 안전한 배터리를 제작할 수 있는 기술을 개발했다.
 
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구단 구종민 박사팀은 경희대학교 이제승 교수팀과 미국 Pacific Northwest National Laboratory의 Karl T. Mueller 교수팀과 공동으로 이온성 액체와 리튬염의 혼합물을 이용하여, 이온전도특성이 우수하면서 증발, 누액, 발화, 폭발 문제가 없는 고체특성의 이온성 액정 겔 전해질*을 제조하였다.
*이온성 액정 겔 전해질 : 이온성 액체를 구성성분으로 하면서, 구조적으로 규칙적인 결정구조를 겔 전해질

전해질은 대표적인 에너지 저장소자인 리튬이차전지 및 축전기(Capacitor)등의 필수 구성성분으로 전자의 전달은 제한되지만 이온을 전달하는 특성은 우수해야 한다. 현재 카보네이트계 액체전해질*이 주로 사용되고 있는데, 액체전해질은 증발, 누액, 발화, 폭발에 취약하여 리튬이차전지의 안전성 확보에 큰 문제점으로 대두되고 있다. 이로 인해 리튬이차전지를 이용한 후방산업인 전기자동차 및 대용량 에너지저장시스템(ESS)등의 시장성장에 제약사항으로 작용하고 있었다.
*카보네이트계 액체전해질 : EC (ethyl carbornate)와 같이 카보네이트(carbonate, -O-(C=O)-O-) 작용기를 가지는 액체전해질.

KIST 구종민 박사팀은 자기조립 특성으로 인해 4.36 나노미터(nanometer) 크기의 규칙적인 층상구조를 이루는 스멕틱 액정*(Smectic Liquid Crystal) 특성과 고체 겔 특성을 동시에 가지는 전해질을 개발했다. 개발된 이온성 액정 겔 전해질은 기존 액체 전해질의 문제점인 증발, 누액, 발화, 폭발 문제를 근본적으로 해결할 수 있으며, 특히 고체 겔 상태임에도 불구하고 액체상태보다도 우수한 이온전달특성을 보이는 독특한 특성을 실험을 통해 증명했다.
*스멕틱 액정 : 그림 1과 같이 분자들이 층상(layer-by-layer) 배열 구조를 가지는 액정

KIST 구종민 박사는 “본 연구의 이온성 액정 겔 전해질은 별도의 화학 시약 첨가없이도 물리적 고체 겔화가 가능하며, 종래의 겔 전해질에 비해 전기화학적 특성, 열적 안정성, 이온전도특성이 우수하다. 또한, 성형성과 가공성이 우수하며, 누액, 휘발, 발화, 폭발 가능성이 없어서 기존의 액체전해질의 불안전성 문제를 획기적으로 개선 가능하다.”고 밝혔다.

이번 연구는 대표적인 융합연구의 형태로 이루어졌으며, 경희대학교 이제승 교수팀과 미국 Pacific Northwest National Laboratory의 Karl T. Mueller 교수팀과 공동으로 수행되었다. 구종민 박사팀은 이번에 개발한 이온성 액정 겔 전해질을 리튬이차전지, 리튬이온 축전기(Capacitor) 등의 에너지 저장 소자에 대한 적용 가능성을 평가하여 상용화를 위한 후속연구에 박차를 가하고 있다.

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)지원으로 KIST 기관고유 미래원천기술개발사업과 산업소재원천기술개발사업, 해양경비안전사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 세계적인 우수 과학 저널인 ‘Advanced Materials’(IF:18.960)에 11월 9일자 최신호의 표지논문으로(Inside Back-Cover) 게재되었다.

 * (논문명) Facilitated Ion Transport in Smectic Ordered Ionic Liquid Crystals
      - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이진홍 박사
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 구종민 박사

[붙임] 연구결과 개요, 그림 설명, 연구진 이력사항

연 구 결 과  개 요

전해질은 대표적인 에너지 저장소자인 리튬이차전지 및 커패시터등의 필수 구성성분이다. 현재 카보네이트계의 액체전해질이 주로 사용되고 있으며 전자전달특성은 제한되면서, 이온전달 특성이 우수해야하는 특성이 있다. 하지만 현재 사용되고 있는 액체전해질은 증발, 누액, 발화, 폭발에 취약하여 리튬이차전지의 안전성 확보에 큰 문제점으로 대두되고 있으며 리튬이차전지를 이용한 후방산업인 전기자동차 및 대용량 에너지저장시스템(ESS)등의 시장성장에도 큰 장애로 작용하고 있다.
본 기술은 이온성 액체와 리튬염의 혼합물을 이용하여 고체특성의 겔 전해질을 제조하는 기술이다. 제조된 전해질은 자기조립 특성으로 인해 4.36 나노미터(nanometer) 크기의 규칙적인 층상구조를 이루는 스멕틱 액정(smectic liquid crystal) 특성과 고체 겔 특성을 동시에 가지는 이온성 액정 겔 전해질이다. 제조된 이온성액정 겔 전해질은 기존 액체 전해질의 문제점인 증발, 누액, 발화, 폭발 문제를 근본적으로 해결할 수 고체전해질이며 특히 고체 겔 상태임에도 불구하고 액체상태보다도 우수한 이온전달특성을 보이는 특성을 가지고 있다.

포항가속기연구소의 X-선 회절 분석 및 미국 PNNL 연구소의 핵자기공명(NMR) 분석을 통해서 이온성 액정 겔 전해질의 스멕틱액정 구조로의 자기조립 현상은 이온들 간의 강한 정전기적 상호작용에 의해 형성됨을 밝혀냈으며, 구조가 없는 이온성 액체 자체에 비해 스멕틱 구조를 가지는 이온성 액정 겔 전해질이 높은 이온전도도를 가지는 이유는 자기조립형 구조가 이온들의 이동도를 촉진시키기 때문임을 확인하였다.  
구종민 박사 연구팀은 본 결과를 바탕으로 이온성 액정 겔 전해질을 리튬전지, 리튬이온 커패시터 등의 에너지 저장장치에 상용화할 수 있도록 후속연구에 박차를 가하고 있다.

그 림 설 명

<그림 1> 이온성 액체와 리튬염의 조성 몰비에 따른 광학적 특성과 형성된 나노 구조체
이온성 액체와 리튬염의 조성을 적절하게 조절함에 따라 이온들간의 강한 정전기적 상호작용을 유도할 수 있고 이를 통해 4.4 나노미터 크기의 규칙적인 층상구조의 스멕틱 액정 겔 전해질을 제조하였다. 제조된 이온성 액정 전해질은 고체특성의 겔 전해질이며 광학적으로 강한 이방성을 나타내었다. 

  <그림 2> 자기조립 구조 발달에 따른 이온전도도의 변화
본 이온성 액정 겔 전해질의 이온전도도는 이온성 액체와 리튬염의 조성에 따라 변화하며, 스멕틱 액정 구조를 가지는 이온성 액정 겔 전해질이 구조가 없는 액체상태의 전해질에 비해 우수한 이온전도 특성을 보이며 이는 자기조립형 구조가 이온들의 이동도를 촉진시키기 때문이다.  

구종민 박사 (교신저자) 이력사항

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 구종민
 ○ 소 속 : 한국과학기술연구원 미래융합기술연구본부
            물질구조제어연구센터
 

 
2. 주요경력사항 
○ 2003～2005 미국 University of Minnesota, Department of Chemical Engineering and Materials Science 박사후과정 (포스트닥)
○ 2005～2007 LG 화학, 중앙연구소, 차장
○ 2011～2011 미국 Pennsylvaia State University, Department of Materials Science, 방문교수
○ 2014～2015 미국 Pennsylvaia State University, Department of Materials Science, 방문교수
○ 2010～현재  University of Science and Technology  부교수(2010~2015)
                                      교수(2016~현재)
○ 2007～현재  한국과학기술연구원 선임연구원 (2007~2012)
                                   책임연구원 (2013~현재)

3. 전문분야  
  나노재료기반 고분자 복합체, 고분자전해질, 전자파차폐/열전도 복합체, 고분자 엑츄에이터