리튬메탈전지의 상용화를 앞당길 차세대 고체 전해질이 개발됐다. 리튬메탈전지는 기존 리튬이온전지를 대체할 차세대 고에너지 전지로 주목받는다.
하지만 가연성 액체 전해질은 화재 위험이 높아 그간 리튬메탈전지 상용화에 걸림돌이 됐다. 대안으로 '유기 고체 전해질'이 부각되기도 했지만, 상온에서 리튬 이온의 전달 속도가 느린 점이 한계로 작용했다.
이와 달리 새로 개발한 고체 전해질은 리튬 이온 이동성을 100배 향상, 상온에서도 작동해 리튬메탈전지를 상용화하는데 기여할 것으로 기대된다.
KAIST는 화학과 변혜령 교수 연구팀과 서울대 손창윤 교수팀이 상온에서 안정적으로 작동하는 새로운 유기 고체 전해질 필름을 개발했다고 4일 밝혔다.
먼저 연구팀은 구멍이 일정하게 배열된 다공성 구조의 신소재 '공유결합유기골격구조체(Covalent Organic Framework·COF)'를 이용해 머리카락 굵기의 1/5수준(두께 20㎛)인 고체 전해질을 제작했다.
COF 전해질은 올해 노벨화학상을 수상한 금속유기골격체(Metal Organic Framework·MOF)와 유사한 다공성 결정성 구조를 가졌지만, 전지 구동 환경에서의 화학적 안정성은 더 높은 것이 특징이다.
연구팀은 리튬 이온을 전달하는 '기능기'를 일정한 간격으로 정교하게 배치해 리튬 이온이 실온에서도 기능기를 따라 빠르게 이동할 수 있도록 설계했다. 리튬 이온이 높은 온도에서만 이동하던 기존의 문제를 해결, 리튬 이온의 이동 경로를 분자 수준에서 정밀하게 제어할 수 있는 고체 전해질 구조를 구현한 것이다.
특히 연구팀은 리튬 이온이 쉽게 떨어져 나오고(해리) 이동할 수 있도록 '이중 설폰산화 기능기'를 나노 기공에 도입해 리튬 이온이 가장 짧은 직선 경로를 따라 빠르게 이동할 수 있는 통로를 만들었다.
이러한 구조는 리튬 이온이 움직이기 위해 필요한 에너지를 낮춰 적은 에너지로도 빠르게 이동할 수 있어 실온에서도 안정적으로 작동할 수 있다는 것이 분자동역학(MD) 시뮬레이션에서 확인됐다.
새롭게 개발한 전해질 필름은 스스로 가지런히 배열되는 '자가조립(Self-assembly)' 방식으로 만들어져 표면이 매끄럽고 구조가 균일한 장점도 가졌다. 이 덕분에 리튬 이온이 리튬 금속 전극에 빈틈없이 잘 달라붙어 전극 사이를 오갈 때 보다 안정적으로 이동할 수 있게 됐다고 연구팀은 설명했다.
이 결과 개발된 전해질은 기존 유기계 고체전해질보다 리튬 이온 이동 속도는 10~100배 이상 빨라지고 리튬메탈 기반 리튬인산철(LiFePO₄) 전지에 적용했을 때 300회 이상 충·방전을 반복해도 초기 용량의 95% 이상을 유지했다. 또 에너지 손실이 거의 없는 높은 안정성(쿨롱 효율 99.999%)도 입증됐다.
변 교수는 "이번 연구는 실온에서도 빠른 리튬 이온 이동이 가능한 유기 고체전해질을 구현해 리튬메탈전지의 상용화 가능성을 높였다는 데 의미가 있다"며 "COF 전해질을 무기 고체 전해질과 하이브리드 형태로 결합한다면 계면 안정성 문제를 개선할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.
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한편 이번 연구에는 KAIST 화학과 최락현 대학원생이 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 최근 국제학술지 'Advanced Energy Materials'에 게재됐다.
대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr
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