【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환)은 화학과 박수진 교수·통합과정 조성진 연구팀이 UNIST(울산과학기술원, 총장 이용훈) 에너지화학공학과 서동화 교수·김동연 박사 연구팀과의 공동연구로 1회 충전으로 오래 쓸 수 있는 무(無)음극 배터리를 개발했다고 27일 밝혔다.

▲ 무음극 전극의 제조과정-폴리에틸렌이민 고분자·은·리튬염·카본블랙으로 구성된 이온 전도성 층을 구리 집전체 표면에 코팅해 전극을 제조했다. 이렇게 제조된 이온 전도성 기판은 충·방전 시 리튬 이온을 효과적으로 받아들이고, 내보내는 방식으로 배터리를 작동시킬 수 있다.  © 포스텍

POSTECH에 따르면 이 배터리의 부피당 에너지 밀도는 977와트시/리터(Wh/L)로 상용화된 배터리(약 700Wh/L)보다 40% 높다. 한 번만 충전해도 630km를 달릴 수 있는 셈이다.

일반적으로 배터리는 충전과 방전을 거듭할 때 리튬이온이 드나들면서 음극재의 구조를 바꾼다. 시간이 갈수록 배터리 용량이 줄어드는 이유다. 음극재 없이 음극 집전체만으로 충·방전이 가능하다면 배터리 용량을 결정짓는 에너지 밀도를 높일 것으로 여겨졌다. 다만 실제로는 음극의 부피가 크게 팽창하며 배터리 수명을 악화시킨다는 치명적인 단점이 있었다. 리튬을 안정적으로 저장하는 저장체가 음극에 존재하지 않아서다.

연구팀은 이온 전도성 기판을 더해 무음극 배터리를 통상적으로 사용되는 카보네이트 용매 기반 액체 전해질에서 구현하는 데 성공했다. 기판은 음극 보호층을 형성할 뿐만 아니라 음극의 부피 팽창을 최소화하도록 돕는다.

연구 결과, 배터리는 카보네이트 용매 계열 전해질 환경에서 고용량(4.2 mAh cm−2), 고전류밀도(2.1 mA cm-2)로 오랫동안 높은 용량을 유지했다. 기판이 리튬을 안정적으로 저장할 수 있음을 이론과 실험을 통해 검증하기도 했다.

나아가, 아지로다이트(Argyrodite) 계열 황화물계 고체 전해질을 이용해 전고체1)반쪽 전지2)를 구현해 더욱 눈길을 끈다. 이 또한 장기간 높은 용량을 유지함을 확인, ‘폭발하지 않는 배터리’의 상용화를 더욱 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 최근 게재된 이 연구는 알키미스트 프로젝트 및 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

 POSTECH-UNIST joint research team develops a cathode-free battery with maximized energy density

  POSTECH (Pohang University of Science and Technology, President Kim Moo-hwan) is a joint research team led by Professor Park Soo-jin of the Department of Chemistry and the research team of Seong-jin Cho of the integrated course with the research team of Professor Dong-hwa Seo and Dong-yeon Kim of the Department of Energy and Chemical Engineering at UNIST (Ulsan Institute of Science and Technology, President Lee Yong-hoon). On the 27th, it announced that it has developed a non-cathode-free battery.

 According to POSTECH, the energy density per volume of this battery is 977 watt-hours/liter (Wh/L), which is 40% higher than that of a commercially available battery (about 700 Wh/L). It can run 630 km on a single charge.

  In general, when a battery is repeatedly charged and discharged, lithium ions move in and out to change the structure of the anode material. This is why the battery capacity decreases over time. It was thought that if charging and discharging were possible only with the anode current collector without the anode material, the energy density that determines the battery capacity would be increased. However, in reality, there was a fatal drawback that the volume of the anode greatly expanded and deteriorated the battery life. This is because a storage material that stably stores lithium does not exist in the negative electrode.

  The research team succeeded in realizing a cathode-free battery in a commonly used carbonate solvent-based liquid electrolyte by adding an ion conductive substrate. The substrate not only forms a cathodic protection layer, but also helps to minimize volume expansion of the cathode.

  As a result of the study, the battery maintained high capacity for a long time with high capacity (4.2 mAh cm−2) and high current density (2.1 mA cm−2) in a carbonate solvent-based electrolyte environment. It has also been verified through theory and experiments that the substrate can stably store lithium.

  Furthermore, it draws more attention by realizing an all-solid-state half-cell using an argyrodite-based sulfide-based solid electrolyte. This also confirms that it maintains high capacity for a long time, and is expected to further accelerate the commercialization of 'non-explosive batteries'.

  Meanwhile, this research, recently published in the international academic journal Advanced Functional Materials, was supported by the Alchymist Project and the National Research Foundation of Korea.