우리 연구진이 배터리 내 리튬이온이 빠르고 고르게 이동케 하는 '고속도로'를 구축했다. 개발 기술은 급속 충전시 리튬 축적 불균일을 줄이는 기술이다. 차세대 배터리 개발에 큰 기여가 예상된다.
한국과학기술원(KAIST·총장 배충식)은 윤동기, 변혜령 화학과 교수팀이 액정 고분자의 분자 배열을 제어해 리튬이온 이동 경로를 정밀 조절하는 차세대 배터리 분리막 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.
리튬 금속 배터리는 충전 과정에서 리튬이 한곳에 몰려 뾰족한 나뭇가지 모양으로 쌓이는 '덴드라이트'가 발생하기 쉽다. 자란 리튬은 배터리 수명을 줄이고, 양극·음극 직접 접촉을 막는 분리막을 손상시켜 내부 합선 및 화재를 일으킬 수 있다.
연구팀은 분자들이 일정한 방향으로 배열되는 액정 소재를 활용했다. 액정은 고체처럼 규칙적인 분자 배열과 액체처럼 흐르는 성질을 함께 지니며, 표면 처리 등에 따라 분자 배열 방향을 바꿀 수 있다.
연구팀은 나노미터 크기 미세 구멍이 있는 액정 고분자 분리막을 만들고, 리튬이온 이동을 돕는 폴리에틸렌글리콜(PEG) 사슬을 도입했다. 이어 분자의 배열 방향을 수직 또는 수평으로 조절해 리튬이온이 어떻게 이동하는지 비교했다.
그 결과, 분자를 수직으로 가지런히 배열한 분리막에서는 리튬이온이 전극 방향으로 곧게 이동하는 통로가 형성됐다. 복잡한 골목길을 잘 정돈된 도로로 바꾼 셈이다. 수평으로 배열한 비교용 분리막보다 이온 이동 경로의 굴곡도가 약 2.5배 낮아졌으며, 리튬이온이 더 빠르고 균일하게 이동해 뾰족한 나뭇가지 모양으로 리튬이 쌓이는 '덴드라이트' 형성을 효과적으로 억제했다.
연구팀은 개발한 분리막을 리튬 금속 배터리에 적용해 급속 충전 성능도 확인했다. 이론상 약 15분 만에 충전할 수 있는 빠른 충전 조건(4C)에서 충전과 방전을 100회 반복한 뒤에도 초기 용량의 94%를 유지했다.
이번 연구는 배터리를 구성하는 소재뿐 아니라 그 안의 분자를 어떤 방향으로 배열하느냐도 충전 성능과 수명을 높이는 데 중요하다는 점을 보여줬다.
윤동기 교수는 “향후 긴 주행거리와 빠른 급속 충전이 필수적인 고에너지 밀도 차세대 배터리 기술 개발에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구에는 KAIST 이근중 박사과정과 최락현 박사가 공동 제1저자로, 변혜령 교수와 윤동기 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 '에이씨에스 나노(ACS Nano)'에 9월 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
