경북대 김영규 교수팀, 물로 만든 ‘난연성 고체전해질’ 개발

[아이뉴스24 이창재 기자] 경북대학교 화학공학과 김영규 교수 연구팀이 물 기반 공정으로 제조한 난연성 나트륨 이온 고체전해질을 개발했다. 불에 잘 타지 않는 특성과 친환경 제조 방식을 확보하면서도 전기화학적 성능을 크게 끌어올린 성과다.

26일 경북대에 따르면 현재 상용 리튬이온전지는 유기용매 기반 액체 전해질을 사용한다. 그러나 유기용매는 인화성이 높아 화재 위험이 존재하고, 제조 과정에서도 유해성 관리가 필요하다. 연구팀은 이를 개선하기 위해 제조 단계에서 유기용매 대신 물을 사용하는 수계 공정을 도입했다.

또한 전하 운반체로 고가의 리튬 이온 대신 바닷물 등에 풍부한 나트륨 이온을 활용해 원가 부담을 낮췄다.

전해질 설계에는 인을 포함한 첨가제 SHMP(헥사메타인산나트륨)를 적용해 내부 구조를 정밀 제어했다. SHMP는 고분자 사슬과 상호작용하며 나트륨 이온 이동 경로를 확장하는 역할을 한다. 그 결과 이온전도도는 기존 대비 약 5배 향상됐다.

특히 인 성분은 열을 받으면 표면에 보호층을 형성해 화염 노출 환경에서도 전해질이 쉽게 타지 않고 형태를 유지하는 난연 특성을 보였다.

이 고체전해질을 적용한 소자는 반복 충·방전 2천회 이후에도 초기 정전용량의 99.68%를 유지해 우수한 성능 안정성을 입증했다.

김영규 교수는 “친환경 공정과 난연성을 동시에 확보하면서 나트륨 기반 고체전해질의 전기화학적 성능을 개선한 사례”라며 “나트륨은 리튬보다 자원 접근성이 높아 비용을 낮출 수 있고 화재 위험을 줄인 에너지저장장치 구현이 가능하다”고 설명했다.

이어 “전기자동차와 휴머노이드 로봇 등 안전성이 중요한 분야에서 활용 가능성이 크다”며 “후속 고도화 및 사업화 연구는 대구시 소재 에너지 기업들과 공동으로 기후에너지환경부 ‘대구권 에너지기술공유대학’ 사업의 일환으로 진행할 예정”이라고 밝혔다.

이번 연구는 기후에너지환경부 에너지인력양성사업과 교육부 대학중점연구소지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 교신저자는 김영규 교수, 제1저자는 디푸 무루카다스 박사과정생이며, 박다연 석사과정생, 김민재 석박사연계과정생, 김화정 연구초빙교수가 참여했다.

연구 결과는 스프링거 네이처가 발행하는 국제학술지 ‘마이크로시스템즈&나노엔지니어링(Microsystems & Nanoengineering)’ 2월 11일자에 게재됐다.