새 연구: 전기차 미래 주도할 젤 전해질 마스터링의 중요성

Seoul포항공과대학교 연구진이 배터리 기술을 발전시켰습니다. 박수진 교수, 남서하 연구원, 그리고 손혜빈 박사 주도로 이들은 새로운 안정성과 시장성을 갖춘 젤 전해질을 활용한 배터리를 개발했습니다. 이 연구 결과는 "Small" 학술지에 게재되었습니다.

리튬 이온 배터리는 전기 자동차와 전자 기기에 흔히 사용됩니다. 그러나, 이 배터리의 액상 전해질은 화재나 폭발의 위험이 있습니다. 과학자들은 보다 안전한 대안을 찾고 있으며, 그 중 하나가 젤 형태의 전해질을 사용하는 반고체 배터리입니다.

젤 전해질의 장점으로는 안정성 향상, 높은 에너지 밀도, 그리고 더 긴 수명이 있습니다.

젤 전해질을 제조하는 과정은 종종 높은 온도에서 오랜 시간 가열을 필요로 하며, 이는 전해질을 손상시켜 배터리 효율을 떨어뜨릴 수 있습니다. 또한, 젤 전해질과 전극 사이의 접촉 저항도 문제로 작용합니다.

이전 연구들은 상업적 생산을 확대하는 데 어려움을 겪었는데, 이는 복잡한 제조 방식이 기존 배터리 생산 라인과 호환되지 않았기 때문입니다. 박 교수팀은 디펜타에리트리톨 헥사아크릴레이트(DPH)라는 특수 첨가제와 전자빔(e-beam) 기술을 사용하여 이러한 문제를 해결했습니다.

파우치형 배터리의 전통적인 제조 공정은 다음과 같은 단계로 이루어집니다:

• 전극 준비
• 전해질 주입 및 조립
• 활성화
• 가스 제거

가스를 제거한 후, 팀은 전자 빔 조사라는 추가 단계를 도입했습니다. 이 과정은 DPH의 이중 역할을 향상시켰습니다. DPH는 음극과 양극 표면 사이의 인터페이스를 안정화하는 데 도움을 줍니다. 또한, 전자 빔 조사 중에 DPH는 서로 결합하여 고분자 구조를 형성했습니다.

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팀의 새로운 배터리는 젤 전해질을 사용하여 우수한 성능을 보였습니다. 일반 배터리와 비교했을 때, 초기 몇 차례의 충전 및 방전 사이클 동안 발생하는 가스를 2.5배 감소시켰습니다. 또한 전극과 젤 전해질이 잘 맞아 계면 저항도 낮췄습니다.

연구팀은 용량이 1.2Ah인 배터리를 개발하여 55도에서 테스트를 수행했습니다. 이 온도에서는 전해질의 분해가 촉진되었습니다. 기존 전해질을 사용한 배터리는 많은 가스를 발생시키고 50회 사용 후에 급격히 용량이 감소했습니다. 그러나 새로운 배터리는 가스를 발생시키지 않았고, 200회 사용 후에도 1Ah의 용량을 유지했습니다.

이것은 큰 성공입니다. 이는 겔 전해질 배터리가 안전하고 오래 지속되며 시장에 출시될 준비가 되었음을 보여줍니다. 또한 현재의 파우치 배터리 생산 방법을 사용하여 대량으로 제조할 수 있습니다.

박수진 교수는 이 새로운 발견이 전기차 산업에 영향을 미칠 것이라고 말했습니다. 또한 이 발견이 리튬이온 배터리를 사용하는 다른 기기에도 도움이 될 것이라고 언급했습니다. 이들의 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 지원을 받았습니다.

포스텍 연구팀은 젤 전해질 배터리를 보다 안전하고 상용화에 적합하게 만들기 위해 노력하고 있습니다.

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