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젤로 만든 전해질이 전기차 배터리 수명 2.8배↑

국내 연구진이 전기차용 '고전압 배터리'의 전해질을 젤 형태로 만들어, 배터리 수명을 2.8배 개선하는데 성공했다. UNIST는 에너지화학공학과 송현곤 교수팀이 한국화학연구원 정서현 박사, 한국전자기술연구원 황치현 박사팀과 함께 배터리를 고전압으로 충전할 때 전극에서 활성산소가 새어 나오는 반응을 원천 봉쇄하는 '안트라센 기반 반고체 젤 전해질(An-PVA-CN)'을 개발했다고 4일 밝혔다. 고전압 배터리 '노화'의 주범은 활성산소다. 연구팀은 이를 원천 차단하는 방법으로 배터리 수명은 2.8배 늘고, 부풀어 오르는 '배불뚝 현상'도 6분의 1로 줄이는데 성공했다. 고전압 배터리는 4.4V 이상의 전압으로 충전되는 리튬이온전지로, 더 많은 전기를 저장할 수 있어 배터리팩을 가볍게 만들 수 있다. 하지만 충전전압이 높아질수록 하이니켈 양극의 산소가 불안정해지면서 '일중항산소'라는 활성산소로 변해 빠져나오게 된다. 이 때 활성산소는 가스를 발생시켜 배터리 폭발 위험을 높이고 수명도 단축시킨다. 연구팀이 개발한 전해질 안트라센(An)은 전극 표면의 불안정한 산소와 결합, 불안정한 산소끼리 결합하는 반응 단계를 원천 차단한다. 불안정한 산소끼리 결합하게 되면 활성산소 '씨앗'인 산소 이합체가 생긴다. 또 이 안트라센은 이미 생긴 활성산소까지 포획해 제거함으로써 이중 보호 기능을 할 수 있다. 전해질의 또 다른 성분인 니트릴(-CN) 작용기는 양극의 니켈 금속을 안정화해 니켈이 녹아 나오거나 양극 구조가 변형되는 것을 막아준다. 제1저자인 이정인 연구원은 “이번 연구는 활성산소의 발생 단계 자체를 차단했다는 점이 차별점”이라며 “기존에는 활성산소가 이미 생긴 뒤 항산화 물질로 사후 중화하거나, 전극을 조작해 산소 발생을 억제하려 했다”고 설명했다. 새 전해질을 적용한 배터리는 4.55V 고압 충전 조건에서 500회 충·방전 후에도 초기 용량의 81%를 유지한 반면, 기존 배터리는 180회 사이클 만에 초기 용량의 80% 이하로 떨어졌다. 배터리 용량이 초기의 80% 이하로 떨어지면 수명이 다했다고 보기 때문에, 수명이 2.8배 증가한 셈이다. 또 배터리 팽창의 원인이 되는 가스 발생도 크게 억제됐다. 기존 배터리가 85µm 팽창한 것과 달리 젤 전해질을 적용한 배터리는 13µm 정도 부풀어 오르는 데 그쳐, 부피 팽창을 약 6분의1 수준으로 억제했다. 송현곤 교수는 “고전압 배터리의 산소 반응을 '전해질 설계' 단계에서 직접 제어할 수 있다는 점을 보여줬다”며 “이 원리는 향후 우주항공용 경량 리튬이온전지와 대용량 에너지저장장치(ESS) 개발에도 응용될 수 있을 것”이라고 말했다. 이번 연구는 에너지 재료 분야 국제학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)'에 온라인(10월 5일)으로 게재됐다. 연구 수행은 UNIST 하이드로 스튜디오(Hydro*Studio)의 이노코어(InnoCore) 프로그램과 한국산업기술기획평가원, 한국화학연구원 프로젝트의 지원을 받았다.

2025.11.05 08:04박희범

"플라스틱을 14배 더 쎄게"…물 싫어하는 나노셀룰로오스 개발

기존대비 기계적 강도가 14배 강한 새로운 셀룰로오스 나노결정체가 개발됐다. 셀룰로오스의 가장 큰 단점인 친수성 문제도 해결했다. 과학기술연합대학원대학교(UST)는 KAIST와 공동으로 열가소성 탄성체에 소수화된 셀룰로오스 나노결정체를 섞어 기계적 강도를 나타내는 저장탄성률이 기존 대비 14배인 나노복합탄성체를 만들어내는데 성공했다고 14일 밝혔다. 이 연구에는 KRICT 신지훈 책임연구원과 박세흠 선임연구원, KAIST 박윤수 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 또 UST-KRICT 스쿨 이현호 석박사통합과정 연구원과 KAIST 유석렬 박사과정 연구원이 제1저자로 연구를 주도했다. 셀룰로오스 나노결정체는 통상 철보다 강도가 5배이상 높아 철과 플라스틱의 대체재로 주목 받는다. 다만, 물에 쉽게 분산되는 친수성으로 인해 활용 범위가 좁았다. 연구팀은 열가소성 탄성체에 자체 개발한 셀룰로오스 나노결정체를 섞어 새로운 나노복합탄성체를 제조하는데 성공했다. 이 탄성체 제조는 삼중블록공중합체와 용액 추출법을 이용했다. 또 이번에 개발한 셀룰로오스 나노결정체는 소수성(물을 싫어하는 성질)이 강한 테트라드시닐 무수물을 기존 셀룰로오스 나노결정체 표면에 균일하게 도포(피커링 에멀젼 방식)해 만들었다. 이현호 석박사통합과정 연구원(6년차, 2024.9 졸업예정)은 "물방울을 이 나노결정체에 떨어뜨리는 표면각 측정 실험 결과 기존 34도(7초)에서 90도(30초)를 나타냈다"며 "소수성이 현격히 증가하는 것을 확인했다"고 말했다. 또 기계적 물성 평가에서는 기계적 강도(저장탄성률)는 14배, 늘어남이 없는 정도를 나타내는 영률은 4배 향상됐다. 이 연구원은 "이는 기존 탄성체의 신율과 인장 강도는 그대로 유지하면서 저장탄성률과 영률이 향상된 결과"라며 "점착제나 포장재, 자동차 부품 등 산업 분야 전반에 활용가능할 것"으로 기대했다. 신지훈 책임연구원은 “기존에 복잡했던 셀룰로오스 나노결정체의 소수화 공정을 통해 소수화 반응성을 크게 향상시켰다"며 "산업체에서 많이 쓰는 열가소성 탄성체 내구성도 획기적으로 개선됐다"고 말했다. 한편 이 연구결과는 엔지니어링 분야 국제 저널인 '컴포지트 파트 비: 엔지니어링(Impacr Factor 12.7, 엔지니어링 분야 상위 0.5%(1/179) 8월호에 게재됐다.

2024.08.15 12:27박희범

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