리튬이온 이동 '고속도로' 구현…급속 충전·배터리 수명 개선 기대

배터리 안에서 리튬이온이 빠르고, 균일하게 이동할 수 있는 일종의 '고속도로'가 구현됐다. 급속 충전의 안정성을 높이고, 배터리 수명을 개선하는 데 기여할 것으로 기대된다.

KAIST는 화학과 윤동기·변혜령 교수 연구팀이 액정 고분자의 분자 배열을 제어해 리튬이온의 이동 경로를 정밀하게 조절하는 차세대 배터리 분리막 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.

AI 생성 이미지. KAIST

리튬 금속 배터리는 기존 리튬이온 배터리보다 많은 에너지를 저장할 수 있어 차세대 배터리로 주목받는다. 하지만 충전하는 과정에서 생기는 '덴드라이트(Dendrite)'가 발생하기 쉬워 상용화에는 어려움이 따른다.

덴드라이트는 리튬이 금속 음극 표면에 불균일하게 쌓여 만들어지는 나뭇가지 모양의 결정체다. 덴드라이트가 자라 배터리 분리막을 뚫으면, 내부 단락(합선)이 발생해 배터리 수명을 단축하고, 발열과 화재로 이어질 수 있다.

이런 문제를 해결하기 위해 공동연구팀은 분자들이 일정한 방향으로 배열되는 액정(Liquid Crystal) 소재를 활용해 리튬이온이 이동하는 길목을 정돈했다. 이온이 전극을 향해 곧고 고르게 이동할 수 있도록 이동 경로를 설계해 배터리 충전 속도를 높이고, 리튬이 불균일하게 쌓이는 현상은 줄인 것이다.

이 과정에서 액정은 고체처럼 규칙적인 분자 배열과 액체처럼 흐르는 성질을 동시에 가져 표면처리 등에 따라 분자 배열 방향을 바꾸는 역할을 했다.

이를 위해 공동연구팀은 ㎚ 크기의 미세한 구멍이 있는 액정 고분자 분리막을 만들고, 리튬이온의 이동을 돕는 폴리에틸렌글리콜(PEG·Polyethylene Glycol) 사슬을 도입한 후 분자의 배열 방향을 수직 또는 수평으로 조절해 리튬이온의 이동 흐름을 비교했다.

이 결과 분자를 수직으로 가지런히 배열한 분리막에서는 리튬이온이 전극 방향으로 곧게 이동하는 통로가 형성됐다. 복잡한 골목길을 잘 정돈된 고속도로로 바꾼 셈이다.

이 덕분에 수평으로 배열한 비교용 분리막보다 이온 이동 경로의 굴곡도는 2.5배 낮아지고, 리튬이온은 상대적으로 빠르고 균일하게 이동했다. 덴드라이트가 만들어지는 것도 효과적으로 억제되는 것이 확인됐다.

(왼쪽부터) 이근중 KAIST 화학과 학생, 최락현 KAIST 화학과 박사, 변혜령 KAIST 화학과 교수, 윤동기 KAIST 화학과 교수. KAIST

개발한 분리막을 이용해 리튬 금속 배터리의 급속 충전 성능을 확인했을 때는 이론상 15분 만에 충전할 수 있는 고속충전 조건에서 충전·방전을 100회 반복해도 초기 용량의 94%가 유지됐다.

단 실제 완전 충전에 걸리는 시간은 배터리 특성과 충전 방식에 따라 달라졌다. 이는 분리막의 분자 배열을 조절해 급속 충전 과정에서 생기는 성능 저하 문제를 해소할 가능성을 보여준다.

윤 교수는 "이번 연구는 액정 고분자의 분자 배열을 제어하는 방식으로 리튬이온의 이동 경로를 효율적으로 설계해 배터리 성능과 안정성을 높인 사례"라며 "연구 결과는 향후 장거리 주행과 빠른 급속 충전이 필수인 고에너지 밀도 차세대 배터리 기술을 개발하는 데 기여할 것으로 기대된다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 이근중 박사과정과 최락현 박사가 공동 제1 저자, 변혜령 교수와 윤동기 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 최근 국제 학술지 '에이씨에스 나노(ACS Nano)'에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr