- 양쪽성이온 결합 폴리우레탄 소재 활용, 리튬 이온 전달 비중 2배 높여 1000시간 연속 구동
- 화재 유발 '덴드라이트' 현상 억제 및 고속 충·방전 성능 입증…유연 전지 적용 기대
[비욘드포스트 이봉진 기자] 전기차와 스마트기기의 차세대 동력원으로 꼽히는 '리튬금속전지'의 최대 난제인 화재 위험을 원천 차단하고, 배터리 수명은 대폭 늘린 혁신적인 '이온 조절형 준고체 고분자 전해질'이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
기존 액체 전해질의 한계를 극복한 이번 성과는 고에너지밀도 배터리 상용화를 앞당길 핵심 기술로 주목받고 있다.
(왼쪽부터) 동국대 김성곤 교수, 이용혁 교수, 나홍빈 박사과정생. (사진제공=동국대)
동국대학교 화공생물공학과 김성곤·이용혁 교수 연구팀(제1저자 나홍빈 박사과정생)은 독일 막스플랑크 프리츠하버연구소와의 공동연구를 통해 양쪽성이온(zwitterion)을 도입한 열가소성 폴리우레탄(TPU) 기반의 준고체 고분자 전해질을 개발했다고 11일 밝혔다.
리튬금속전지는 기존 리튬이온전지 대비 에너지 밀도가 뛰어나지만, 충·방전 과정에서 리튬 표면에 나뭇가지 모양의 결정(덴드라이트)이 자라나는 현상 탓에 내부 단락과 열폭주 위험을 안고 있다. 화재 위험을 낮추기 위한 대안으로 준고체 형태의 젤 전해질이 연구되어 왔으나, 전류 중 리튬 이온이 이동하는 비율(리튬 이온 전달수)이 낮아 상용화에 어려움이 있었다.
연구팀은 탄성력이 높은 폴리우레탄 사슬에 양쪽성이온을 결합하는 방식으로 이 같은 한계를 극복했다. 하나의 분자 내에 음전하와 양전하를 모두 지닌 양쪽성이온이 리튬염의 이온쌍 분리를 유도해 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있는 환경을 조성한 것이다. 실험 결과, 새로 개발된 전해질은 액체 전해질 수준의 이온전도도를 유지하면서도 리튬 이온 전달수는 0.72를 기록해 비교 액체 전해질(0.36) 대비 2배 높은 수치를 보였다.
특히 이용혁 교수 연구팀은 양자역학 데이터를 학습한 머신러닝 모델을 도입해 성능 향상의 분자적 배경을 검증했다. 고분자와 리튬염의 상호작용을 분석한 결과, 단순화한 분자 모델에서 양쪽성이온 올리고머가 포함됐을 때 이온쌍 분리에 따른 에너지 차이가 0.29 eV로 나타나, 고분자가 없을 때(3.63 eV)보다 현저히 낮아지며 구조가 안정화됨을 증명했다.
이 전해질을 적용한 리튬 대칭 전지는 800시간 만에 단락이 발생한 기존 액체 전해질과 달리 1000시간 이상 안정적으로 작동했다. 또한 리튬인산철(LFP) 양극 전지에 적용한 결과 300회 충·방전 이후에도 초기 용량의 87%를 유지했으며, 15분 만에 고속으로 충·방전이 이뤄지는 가혹한 조건(4C)에서도 액체 전해질보다 약 1.5배 높은 용량을 나타냈다. 연구팀은 구부린 상태에서도 정상 작동하는 파우치형 전지 및 유연 전지로의 적용 가능성도 함께 확인했다.
김성곤 교수는 "이번 연구는 고분자를 단순히 액체 전해질을 담는 그릇이 아니라, 이온의 움직임을 능동적으로 조절하는 소재로 설계했다는 점에 의의가 있다"며 "향후 고에너지밀도 전지와 구부러지는 유연 전지 개발에 폭넓게 활용될 수 있을 것"이라고 설명했다.
이번 연구 결과는 에너지·재료 분야 권위 있는 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF=25.5, JCR 상위 2.4%)' 온라인판에 지난 2일 게재됐다. 연구는 산업통상자원부, 중소벤처기업부, 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단 등의 지원을 받았으며, 한국과학기술정보연구원(KISTI) 국가슈퍼컴퓨팅센터 자원이 활용됐다.
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