리튬메탈전지는 리튬 금속 자체를 음극으로 사용하는 전지로, 현 리튬이온전지의 에너지 밀도 한계를 극복하기 위한 차세대 배터리 시스템입니다. 최근 여러 기업에서 개발 소식을 발표하고 있는 상황이지만, 아직 상용 리튬이온전지 역시 안전 문제가 일어나고, 전지 어플리케이션의 규모가 더욱 커지고 있는만큼, 성능과 함께 안전성도 담보된 전지 개발이 필요합니다. EMSDL은 성능과 안전성, 그리고 가격 경쟁력을 갖춘 리튬메탈전지를 위한 신규 전해질을 개발하고 있습니다.

리튬공기전지는 리튬이온전지의 이론적 용량 한계를 극복하기 위한 차세대전지 시스템이나 비가역적 부반응으로 인해 기술 성숙도가 매우 낮아 아직 기초 연구 단계에 머무르고 있습니다. EMSDL에선 공기전지 열화의 주요 원인으로 밝혀진 활성산소종과 관련된 다양한 연구 (메커니즘 이해, 분석, 소재 개선)들을 수행하고 보다 가역적이고 실용적인 리튬공기전지를 개발하고 있습니다. 이를 통해 공기전지 분야의 리딩 그룹으로서 국가 경쟁력을 확보하고 기술 성숙도를 끌어올리고자 합니다.

소듐이온전지는 현재 전기차 시장을 주도하고 있는 리튬이온전지의 소재 고갈 이슈를 극복하기 위한 다양한 접근 방법 중 하나입니다. 특히 최근 Li 가격 상승 이슈는 NCM 전극에 활용되는 Co이나 Ni 외에도 Li 고갈에 대한 대비가 필요하다는 점을 시사하고 있습니다. 알칼리 메탈이라는 공통점과 풍부한 자원이라는 배경에 힘입어 매우 중요한 차세대 전지 연구 분야로 자리 잡았으며, EMSDL에선 Na 이온전지용 전해질 개발과 함께, 전극 및 계면 안정화 연구를 수행하고자 합니다.

현재 리튬이온전지에 주로 활용되고 있는 무기금속 소재 기반 양극재들은 자원 고갈로 인해 가격 상승 이슈가 빈번히 발생하고 있으며, 이러한 트렌드는 계속해서 변화하고 있습니다. 따라서 이를 궁극적으로 해결할 수 있는 지속가능하고 친환경적인 신규 전극 및 시스템 개발이 필요합니다. 유기물을 전극 소재로 활용하는 것은 이를 위한 전략 중 하나이며, EMSDL에선 유기소재 전극 기반 이차전지의 성능 향상을 위한 메커니즘 이해, 전극 및 전해질 소재 개발, 계면 제어 연구를 수행하고 있습니다.

리튬 황 전지는 값싼 황을 에너지원으로 사용하여 높은 중량당 에너지 밀도를 발현할 수 있어, 드론 및 항공 모빌리티 산업에 적합한 차세대 경량 배터리로 최근 연구가 지속되고 있습니다. 하지만 시장에서 만족할만한 에너지밀도 및 출력특성을 확보하기 위해선, 낮은 E/S ratio 및 농도를 갖는 전해질 활용 조건에서 전지 사이클 구동 안정성이 담보되어야 합니다. EMSDL은 polysulfide의 용출로 인한 부반응을 제어하면서 동시에 출력 조건을 만족시킬 수 있는 신규 전해액 개발 연구를 수행합니다.

수계전지는 이차전지의 발화로 인한 인명 피해를 해결하기 위한 핵심 연구 주제이지만 물의 화학적 및 전기화학적 불안정성으로 인해 구동 안정성이 매우 떨어집니다. 이를 극복하기 위한 다양한 연구 결과들이 제시되었으나 실용성 및 재현성이 매우 낮아 혁신적인 돌파구가 필요합니다. EMSDL에선 Zn 수계전지의 가역적인 구동 및 고에너지밀도화를 위한 전극 및 전해질 소재 개발 연구를 수행하고 있으며, 이를 통해 보다 안전하면서도 경제적인 전지를 개발하고자 합니다.

전기차 시장의 가파른 성장 만큼 전기차 화재 사고에 대한 뉴스들이 보고되고 있으며, 이는 사용자의 안전을 위협할 뿐만 아니라 전기차에 대한 신뢰도를 떨어뜨리는 요인이 되어 결국 환경 보호를 위한 전기차의 보급을 방해하게 됩니다. 따라서 이차전지의 화재 위험을 줄이기 위한 난연 전해질의 개발이 절실하게 필요하며 EMSDL은 전해질 및 전지의 난연성 확보를 위한 신규 소재 개발 및 조성 최적화 연구를 수행하여 전지 열폭주 문제를 해결하고 전기차 시장의 성장을 돕고자 합니다.

PFAS (Poly- and perfluoroalkyl substances)는 화학적, 열적 안정성이 뛰어나 다양한 산업에서 널리 사용됩니다. 하지만 환경에서 분해되지 않고, 인간과 동물의 조직에 축적되어 발달 장애, 면역 체계 기능 장애, 암 위험 증가 등의 건강 위험을 초래할 수 있습니다. 이차전지의 안정성을 향상 시키 위해 사용되는 전해질 염, 첨가제, 희석제는 PFAS 이거나 전지 구동 중 PFAS를 형성할 수 있어 이를 대체하기 위한 비불소계 전해액에 대한 개발을 EMSDL에서 수행하고 있습니다.

배터리는 저온에서 성능이 크게 저하되는 문제를 가지며, 이는 겨울철 전기차, 그리고 극한환경 (우주선, 잠수함) 등의 성능에 큰 영향을 미칩니다. 상용 전해질은 저온에서 높은 점성을 가지며 이온전도도가 낮아져 배터리의 성능 저하를 일으키기 때문에, 저온에서도 좋은 성능을 발휘할 수 있는 새로운 전해질 개발이 필요합니다. EMSDL은 다양한 온도 범위 (저온/상온/고온)에서 가역적으로 이온 전도가 원활하게 일어날 수 있도록 신규 전해질 개발 및 계면 제어 연구를 수행합니다. 

전기차 및 배터리 시장의 급격한 성장만큼 소재 고갈 및 가격 상승은 피할 수 없는 중요한 이슈입니다. 이는 갈수록 더 심각해질 것이기에 폐배터리 재사용 및 재활용은 앞으로 선택이 아닌 반드시 진행되어야 할 연구 주제입니다. EMSDL에선 폐배터리 및 전극 소재를 보다 값싸고 효율적이며 친환경적으로 회복하고, 재사용 및 재활용하기 위한 방법론 및 소재 개발 연구를 수행하고 있습니다. 이러한 연구 활동은 학계 차원의 연구를 넘어 보다 산업에 도움이 될 수 있는 기술 개발로 이어질 것입니다.

전고체전지는 고체 전해질을 사용하여 기존 리튬 이온 전지 대비 높은 안전성과 에너지 밀도 장점을 지닌 가장 주목받는 차세대 전지 시스템입니다. 수많은 산학연 전문가들의 노력이 집중되고 있는 만큼, 그 시점을 알 순 없지만, 전고체전지는 미래 이차전지 시장에서 중요한 위치를 차지할 것으로 기대됩니다. EMSDL은 이러한 차세대 배터리의 개발과 시장 형성에 대비하여 폐 전고체전지에 대한 재활용 기술을 개발하고 있으며, 이를 통해 미래 국가 기술 경쟁력을 확보하고자 합니다.

이차전지는 전기차의 핵심 구성요소로서, 주행 거리, 출력, 충전 시간 등에 결정적인 영향을 미칩니다. 다시 말해 이차전지의 성능과 수명을 정확하게 평가하면, 전기차의 성능을 최적화하고, 유지비를 줄이며, 안전 문제를 사전에 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 사용 후 전지의 재제조 및 재활용에도 유용한 정보로 활용됩니다. EMSDL은 이차전지의 최적 성능 발현과 안정성 담보 그리고 재활용을 위한 적절한 셀 설계 및 구동 조건 개발을 위해 이차전지의 전기화학적 진단 및 제어 연구를 수행합니다.