연세대 심우영 교수팀 '안전한 리튬이온전지' 구현 기술 개발
연세대 심우영 교수팀 '안전한 리튬이온전지' 구현 기술 개발
  • 정지민 기자
  • 승인 2021.06.17 14:09
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▲ 연세대 심우영 교수와 포항산업과학연구원 정기영 박사 공동연구팀은 기계적 공명 진동 현상을 통해 이온성 액체 전해질의 습윤성을 향상시키는 기술을 개발했다. ⓒ 연세대
▲ 연세대 심우영 교수와 포항산업과학연구원 정기영 박사 공동연구팀은 기계적 공명 진동 현상을 통해 이온성 액체 전해질의 습윤성을 향상시키는 기술을 개발했다. ⓒ 연세대

연세대 심우영 교수(신소재공학과)와 포항산업과학연구원(RIST) 정기영 박사 공동연구팀은 기계적 공명 진동 현상을 통해 이온성 액체 전해질의 습윤성을 향상시키는 기술을 개발했다고 17일 밝혔다. 

이번 연구로 안전한 리튬이온전지를 실현하기 위한 간단하고 경제적인 접근법이 학문적으로 제시됐다.

이차전지의 응용분야가 전기자동차(EV), 전력저장장치(ESS) 등 대용량 전지로 확대되는 추세에 힘입어 전지의 안전성에 대한 중요성이 크게 부각되고 있다. 

리튬이온배터리의 안전성 문제는 인화성 유기계 액체 전해질의 사용에서 기인한다. 고온, 합선 등 전지의 비정상적 구동 환경이 유기 전해질의 점화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 

이를 해결하기 위해 유기 전해질 대신 안전성이 우수한 이온성 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 

그러나 이온성 액체 전해질은 배터리 내의 고분자 분리막에 잘 배어들지 않아 활용에 어려움이 있다. 

분리막은 양극과 음극을 물리적으로 분리해 주는 역할을 함과 동시에 리튬이온이 이동하는 통로 역할을 한다. 

분리막이 액체 전해질로 잘 채워지지 않으면 이온 통로가 막히고 리튬이온의 농도 차가 발생해 배터리의 성능이 저하된다.

이를 해결하기 위해 공동연구팀은 기계적 공명 진동 현상(Mechanical resonance)을 이용해 이온성 액체 전해질을 분리막의 기공 내로 쉽게 스며들게 하는 기술을 개발했다. 

액체 전해질의 고유 주파수와 동일한 주파수의 진동을 가하면 공명을 통해 전해질 표면에 형성된 잔물결의 진폭을 증가시키게 된다. 이에 따라 이온성 액체 전해질에 작용하는 관성력이 커지면서 전해질이 분리막 내로 빠르게 스며들게 된다.

▲ (왼쪽부터 심우영 교수, 정기영 박사, 진단아 1저자) ⓒ 연세대
▲ 연세대 심우영 교수와 포항산업과학연구원 정기영 박사 공동연구팀이 구현한 공명 진동을 이용한 연구는 향후 안전성을 높인 대용량 리튬이온배터리 시스템에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. (왼쪽부터 심우영 교수, 정기영 박사, 진단아 1저자) ⓒ 연세대

본 연구에서 구현된 공명 진동을 이용한 물리적 접근법은 이차전지의 성능 향상에 크게 기여할 것으로 보인다. 

특히 분리막의 기공을 액체 전해질로 채우기 위한 기존 전해질 습윤 공정은 반복적인 저속 충방전 또는 높은 온도를 요구하기 때문에 전지 제조 시 많은 시간을 소요하는 단계이나, 기계적 공명 진동 기술이 적용된다면 전해질 습윤 공정에 소요되는 시간을 효과적으로 단축시킬 수 있다.

심우영 교수는 "이 연구는 물질의 고유 물성인 표면 에너지 개념에 초점을 맞추던 기존 연구들과 달리, 공명 현상 도입을 통해 물리적으로 습윤성을 향상한 연구"라며 "향후 안전성을 높인 대용량 리튬이온배터리 시스템에 적용할 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다. ⓒ 세이프타임즈

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