리튬메탈전지는 리튬이온전지를 대체할 차세대 전지로 주목받지만, 불이 잘 붙는 액체 전해질을 사용할 경우 화재 위험이 높아 상용화가 어려웠다. 대안인 '유기 고체 전해질'도 리튬 이온 전달 속도가 느려 한계가 있었다. 이런 가운데, 한국 연구진이 리튬 이온 이동성을 100배 향상시키고 상온에서 작동하는 고체 전해질 개발에 성공했다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 변혜령 화학과 교수팀이 손창윤 서울대 교수팀과 새로운 유기 고체 전해질 필름을 개발했다고 4일 밝혔다.
연구팀은 다공성 구조 '공유결합유기골격구조체(COF)'라는 신소재를 이용해 머리카락 굵기 5분의 1수준(약 20㎛)의 고체 전해질을 제작했다. 이는 다공성 결정성 구조지만, 전지 구동 환경에서 화학적 안정성이 크게 향상된 점이 특징이다. 리튬 이온을 전달하는 기능기를 일정 간격으로 배치해, 기존 고온에서만 이동하던 리튬 이온이 실온에서도 빠르게 이동하게 설계했다. 리튬 이온 이동 경로를 분자 수준에서 정밀 제어할 수 있는 고체 전해질 구조를 구현했다.
특히 연구팀은 리튬 이온이 쉽게 떨어져 나오고 이동할 수 있도록 '이중 설폰산화 기능기'를 나노 기공에 도입, 리튬 이온이 가장 짧은 직선 경로로 이동하는 통로를 만들었다. 분자동역학(MD) 시뮬레이션 결과, 이런 구조는 리튬 이온이 적은 에너지로도 빠르게 이동할 수 있어 실온에서도 안정적으로 작동함을 확인했다.
이번에 만든 전해질 필름은 스스로 가지런히 배열되는 '자가조립' 방식으로 만들어져, 표면이 매끄럽고 구조가 균일하다. 리튬 금속 전극에 빈틈 없이 달라붙어, 이온이 전극 사이를 오갈 때 더 안정적으로 이동할 수 있다.
이에 개발 전해질은 기존 유기계 고체전해질보다 리튬 이온 이동 속도가 10~100배 이상 빠른 것으로 나타났다. 리튬메탈 기반 리튬인산철 전지에 적용한 결과, 300회 이상 충·방전 반복 후에도 초기 용량 95% 이상을 유지했으며, 에너지 손실이 거의 없는 높은 안정성(쿨롱 효율 99.999%)을 입증했다.
변혜령 교수는 “이번 연구는 실온에서도 빠른 리튬 이온 이동이 가능한 유기 고체전해질을 구현해 리튬메탈전지 상용화을 한 걸음 앞당긴 성과”라며, “무기 고체전해질과 하이브리드 형태로 결합할 경우 계면 안정성 문제를 개선할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구 1저자는 최락현 KAIST 화학과 대학원생이며, 연구 결과는 어드밴스드 에너지 머터리얼즈 지난달 5일자에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
