【브레이크뉴스 대구】이성현 기자=DGIST 연구진이 저온 환경에서도 안정적으로 작동하고 화재 위험까지 낮춘 차세대 리튬 금속전지용 고체 전해질 기술을 개발했다.

▲ DGIST 에너지환경연구부 김재현 책임연구원(사진 뒷줄 맨 오른쪽) 연구팀  © DGIST

DGIST는 에너지환경연구부 김재현 책임연구원 연구팀이 성균관대학교 이상욱 교수팀, 경북대학교 전상은 교수와의 공동연구를 통해 고성능 고체 전해질 기술을 개발했다고 밝혔다.

리튬 금속전지는 높은 에너지 밀도를 바탕으로 차세대 배터리로 주목받고 있지만, 기존 액체 전해질을 사용할 경우 부반응으로 인해 계면이 불안정해지고 리튬 수지상(덴드라이트)이 형성되면서 화재 위험과 배터리 수명 저하 문제가 발생하는 한계가 있었다.

이를 해결하기 위한 대안으로 고체 전해질이 제시돼 왔지만, 기존 고분자 기반 고체 전해질은 저온 환경에서 성능이 급격히 떨어지고 고전압 조건에서 안정성이 낮다는 문제가 있었다.

연구팀은 이를 개선하기 위해 PEGDME 기반 고분자 네트워크에 불소계 에터(Fluorinated Ether·FE)를 결합한 새로운 고체 전해질을 개발했다. 연구진은 고분자와 첨가제 간 분자 상호작용을 활용해 구조를 안정화하고 성능을 대폭 향상시켰다.

개발된 전해질은 영하 20도 이하에서도 동결 없이 높은 이온 전도도(1.46×10⁻⁴ S/cm 이상)를 유지했으며, 리튬 이온 이동성을 높여 배터리 성능 향상 효과를 보였다.

또 전극 표면에 안정적인 보호층을 형성해 리튬 덴드라이트 성장을 억제하고, 고전압 양극 환경에서도 우수한 수명 특성을 확보한 것으로 나타났다. 특히 난연 특성을 통해 화재 위험까지 낮춘 점이 주목된다.

이번 기술은 셀 내부에서 고분자를 형성하는 ‘인시투(in-situ) 공정’을 적용해 기존 액체 전지 제조 공정과 호환이 가능하며, 실제 배터리에 적용 가능한 수준의 성능을 입증해 상용화 가능성도 확인했다.

김재현 DGIST 책임연구원은 “이번 연구는 저온 환경에서도 안정적으로 작동하면서 안전성까지 확보한 고분자 고체 전해질 기술”이라며 “차세대 고에너지밀도 배터리 개발의 중요한 기반이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구에는 DGIST 에너지환경연구부 전인준 전임연구원이 공동 제1저자로, 김종민 선임연구원이 공동저자로 참여했다. 연구는 한국연구재단 중견연구사업 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 Energy Storage Materials 4월호에 게재됐다.

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

DGIST Develops Solid Electrolyte for Low-Temperature and High-Safety Lithium Metal Batteries

Researchers at DGIST have developed a next-generation solid electrolyte technology for lithium metal batteries that operates stably even in low-temperature environments and reduces the risk of fire.

DGIST announced that a research team led by Principal Researcher Jaehyun Kim of the Energy and Environment Research Division developed high-performance solid electrolyte technology through a joint study with Professor Sangwook Lee's team at Sungkyunkwan University and Professor Sang-eun Jeon of Kyungpook National University.

Lithium metal batteries are attracting attention as next-generation batteries due to their high energy density; however, using conventional liquid electrolytes has limitations, such as the risk of fire and reduced battery lifespan caused by interfacial instability and the formation of lithium dendrites due to side reactions.

While solid electrolytes have been proposed as an alternative to address these issues, existing polymer-based solid electrolytes suffered from problems such as a rapid decline in performance in low-temperature environments and low stability under high-voltage conditions.

To improve this, the research team developed a new solid electrolyte by combining a fluorinated ether (FE) with a PEGDME-based polymer network. The research team stabilized the structure and significantly improved performance by utilizing molecular interactions between polymers and additives.

The developed electrolyte maintained high ionic conductivity (over 1.46 × 10⁻⁴ S/cm) without freezing even at temperatures below -20°C and demonstrated improved battery performance by enhancing lithium ion mobility.

Furthermore, it was found to suppress lithium dendrite growth by forming a stable protective layer on the electrode surface and ensure excellent lifespan characteristics even in high-voltage cathode environments. Notably, it also reduced the risk of fire through flame-retardant properties.

This technology utilizes an "in-situ process" to form polymers within the cell, making it compatible with existing liquid battery manufacturing processes. By demonstrating performance levels suitable for actual battery applications, the technology has also confirmed its potential for commercialization.

Kim Jae-hyun, a principal researcher at DGIST, stated, "This research presents a polymer solid electrolyte technology that ensures safety while operating stably even in low-temperature environments," adding, "We expect it to serve as an important foundation for the development of next-generation high-energy-density batteries."

Meanwhile, Injun Jeon, a full-time researcher at the Energy and Environment Research Division of DGIST, participated in this study as a co-first author, and Jongmin Kim, a senior researcher, participated as a co-author. The research was conducted with support from the National Research Foundation of Korea's Mid-Career Researcher Program, and the results were published in the April issue of the international academic journal Energy Storage Materials.