숭실대 박경원 교수, 차세대 에너지 분야 고체 전해질 기술 개발

[에너지경제신문 송기우 에디터] 숭실대학교(총장 장범식) 화학공학과 박경원 교수(사진)가 리튬이온 기반 고효율 수소생산 시스템과 고안정성 전고체 리튬전지를 위한 고체 전해질을 연구해, 에너지 분야의 대표 저널인 『저널 오브 파워소스(Journal of Power Sources)』와 『케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)』에 게재됐다.

특히, 박 교수 연구팀과 숭실대 기술지주회사 ‘보야스에너지(CTO 한상범)’는 공동연구를 통해 ‘리튬이온 교환막을 이용한 수전해’라는 신개념 수소생산 시스템을 제안했다(그림 1). 폴리비닐알코올(PVA)과 나피온을 다양한 중량비로 혼합해 리튬이온이 이동할 수 있는 최적의 고분자 막을 적용한 것으로, 수소전기차 수소생산 장치인 상용화 알칼리 수전해보다 3배 높은 전류 밀도를 나타내는 수전해 시스템 개발에 성공했다. 본 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 수소에너지혁신기술개발사업의 지원을 받았다.

또한, 안정성이 높지만 낮은 반응속도가 단점인 세라믹 기반 전고체 전해질의 대표적인 물질인 LLZO에 알루미늄을 도핑해 높은 리튬 이온 전도도를 지닌 LALZO와 고안정성 h-BN, 메트릭스 PVDF-HFP를 사용한 전고체 전해질 구조를 제안했다(그림 2). 높은 리튬 이온 전도도를 가진 전고체 전해질을 사용하면 자유로운 배터리 모양의 설계가 가능해 높은 안정성으로 플렉서블 및 웨어러블 배터리를 비롯하여 전기자동차 배터리로도 주목받는다. 본 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 중견연구지원사업으로 진행됐다.

박 교수는 "본 연구 성과를 통해 개발된 기술을 활용한 친환경 자동차(전기자동차와 수소전기차)의 보급을 활성화할 수 있을 뿐 아니라, 나아가 탄소중립을 위한 기반 구축에 기여할 것으로 기대한다"고 소감을 전했다.

▲ (그림 2) LALZO 기반 전고체 배터리에서 리튬이온 이동 모식도와 본 연구에서 도출한 성능 (자료=숭실대)

▲ (그림 1) 리튬이온 기반 전해질을 활용한 수소생산 시스템의 작동 원리와 본 연구에서 도출한 성능