한국과학기술원(KAIST) 변혜령 교수 연구팀은 서울대 손창윤 교수팀과 공동으로 리튬메탈전지 용 유기 고체 전해질 필름을 개발했다고 4일 밝혔다.

리튬메탈전지는 흑연계 음극재를 리튬메탈로 대체해 기존 리튬이온전지보다 음극재 무게와 부피를 크게 줄여 에너지 밀도와 주행거리를 대폭 향상할 수 있어 차세대 배터리로 주목받고 있다.

다만 불이 붙기 쉬운 액체 전해액을 사용해 화재 위험성이 크다는 점이 근본적인 한계로 지적된다.

이 때문에 유연성이 있는 유기 고체 전해질에 대한 연구가 진행되고 있지만 상온에서 리튬 이온의 전달 속도가 너무 느리다는 문제가 있다.

연구팀은 구멍이 일정하게 배열된 다공성 구조의 신소재인 '공유결합유기골격구조체'(COF·Covalent Organic Framework)를 이용해 머리카락 굵기 5분의 1 정도 되는 20㎛(마이크로미터, 100만분의 1ｍ) 두께의 고체 전해질을 제작했다.

리튬 이온을 전달하는 기능기(작용기)를 일정한 간격으로 정교하게 배치해 기존에는 높은 온도에서만 이동하던 리튬 이온을 실온에서도 기능기를 따라 빠르게 이동할 수 있도록 설계했다.

또 리튬 이온이 가장 짧은 직선 경로를 따라 빠르게 이동할 수 있는 통로를 만들어 리튬 이온의 이동 경로를 분자 수준에서 정밀하게 제어할 수 있는 고체 전해질 구조를 구현했다.

분자동역학(MD) 시뮬레이션 결과, 이러한 구조는 리튬 이온이 움직이기 위해 필요한 에너지를 낮춰 적은 에너지로도 빠르게 이동할 수 있는 것으로 나타났다.

연구팀이 개발한 전해질은 기존 유기계 고체 전해질보다 리튬 이온 이동 속도가 적게는 10배에서 최대 100배 이상 빨랐다.

이를 리튬메탈 기반 리튬인산철 전지에 적용한 결과, 300차례 이상 충·방전을 반복한 후에도 초기 용량의 95% 이상을 유지했다.

충전한 전지를 방전시킨 후 다시 충전했을 때 얼마나 충전되는지를 보여주는 쿨롱 효율도 99.9%로 에너지 손실이 거의 없었다.

변혜령 교수는 "실온에서도 빠른 리튬 이온 이동이 가능한 유기 고체전해질을 구현해 리튬메탈전지의 상용화 가능성을 제시했다"며 "무기 고체전해질과 하이브리드 형태로 결합할 경우 계면 안정성 문제를 개선할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼스'(Advanced Energy Materials) 지난 달 5일 자에 실렸다.