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Nikkei X-TECH_2022.11.9

'안전하고 유연한' 폴리머계 고체 배터리 발표
교토대학, 스미토모화학, 돗토리대학이 공동 개발

교토대학, 스미토모화학, 돗토리대학은 독자적으로 개발한 고분자(폴리머)계 고체 전해질을 이용한 플렉시블하고 덴드라이트 프리의 2차 배터리를 공동으로 개발. 그 기술적 사항을 후쿠오카시에서 열리고 있는 배터리기술학회 ‘제63회 배터리 토론회’(2022년 11월 8~10일)에서 발표했다.

이번에 개발한 배터리는 양극에 3원계 Ni-Co-Mn(NCM)계 재료, 전해질에 교대혼성중합 싱글 이온 컨덕터(SIC) 폴리머(pMISt-Li) 등, 음극에 흑연과 비슷한 결정구조를 갖는 흑린(Black Phosphorus, BP)과 카본(C)의 혼합재료 P/C로 구성된다.

pMIST-Li는 폴리머계 전해질로서는 실온에서의 이온 전도율이 5.3ⅹ10^-4S/cm로 높고, 게다가 전해질 속을 이동 가능한 각종 이온의 리튬(Li) 이온 비율인 수율이 0.9로 높은 것이 특징이다. “이온 전도율은(섭씨 약 70도까지) 가온하면 10^-3S/cm대까지 높아진다”(발표자인 교토대학의 나카모토(中本) 씨). 전해질이 플렉시블하기 때문에 제조할 때 Roll to Roll(R2R)을 채용하기 쉽다는 장점도 있다.

시작(試作)한 것은 60mm×60mm의 파우치형 셀과 코인형 셀이다. 코인형 셀의 중량 에너지 밀도는 227Wh/kg(셀 케이스와 집전박(集電箔)은 포함하지 않음), 평균 방전 전압은 2.8V이다. 시판하는 코인형 셀과 비교 가능한 값은 227Wh/kg에 0.8을 곱한 181.6Wh/kg이 된다고 한다.

-- 출력 전압을 확보하면서 덴드라이트 가능성을 거의 제로로 --
전고체 배터리는 전해질에 유기 용제를 사용하지 않기 때문에 액체 누출의 가능성이 없어 안전하다고는 하지만, 음극에 흑연 등을 이용하면 음극에서 Li의 수상돌기(덴드라이트)가 양극으로 뻗어 합선될 가능성이 남는다. 특히 전해질이 부드러울 경우 그 가능성을 부정할 수 없다.

그렇다고 해서 음극에 안전성이 높은 Li 기준의 전위가 1.55V로 높은 LTO(Li-Ti-O) 등을 이용하게 되면 출력전압이 낮아 에너지 밀도도 낮아져 버린다.

그래서 이번에는 음극 재료에 Li 기준의 전위가 0.8V로 ‘약간 높은’ BP와 카본의 혼합 재료를 이용했다. 이 경우 출력 전압은 너무 낮아지지 않으면서도 Li가 석출돼 덴드라이트를 석출할 염려가 거의 없기 때문에 “안전하고 유연한 고체형 배터리의 작동을 실증할 수 있게 되었다”(나카모토 씨).

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