[과학을읽다]기존 리튬이온전지 공장 그대로…전고체전지 상업화 성큼

이상영 연세대 교수팀, 제조공정성·후막전극 난제 동시에 해결

전고체전지는 폭발 위험이 낮고 에너지 밀도가 높아 '차세대 배터리'로 불리지만, 기존 리튬이온전지 공정과 맞지 않아 상업화까지는 상당한 시간이 필요할 것으로 여겨져 왔다. 국내 연구진이 기존 리튬이온전지 생산 라인을 그대로 활용할 수 있는 전고체전지용 고분자 전해질을 개발하며 이 같은 한계를 크게 좁혔다.

ZPE 전해질의 '엔트로피 상충 설계(Conflicting entropy design)' 개념도. 무질서하게 섞여 있던 ZPE 전구체 분자들(높은 엔트로피)이 중합 과정에서 자연스럽게 정렬된 구조(낮은 엔트로피)로 전환되며, 이온이 쉽게 이동할 수 있는 연속적인 통로가 형성. 연구진 제공

이상영 연세대학교 화공생명공학과 교수 연구팀은 곽상규 고려대학교 교수팀, 이민재 군산대학교 교수팀, 이영주 한국기초과학지원연구원(KBSI) 박사 연구팀과 함께 엔트로피 개념을 이용한 새로운 고분자 전해질을 세계 최초로 제시하고 이를 전고체전지에 적용하는 데 성공했다고 밝혔다.

연구팀이 개발한 전해질의 핵심은 하나의 분자 안에 양전하와 음전하를 동시에 갖는 '양쪽성이온(zwitterion)' 구조에 있다. 이 구조는 리튬 이온과의 상호작용이 뛰어나며, 분자들이 스스로 정렬되기 쉬워 고체 상태에서도 안정적인 이온 이동 경로를 형성할 수 있다.

여기에 연구진은 '엔트로피 충돌(entropy conflict)'이라는 새로운 설계 개념을 도입했다. 초기에는 액체 상태로 존재해 전극 내부 깊숙이 스며들 수 있고, 이후 빛이나 열을 가하면 고체로 전환되면서 분자들이 자발적으로 정렬돼 이온이 이동할 수 있는 통로를 형성하도록 한 것이다. 이를 통해 고분자 전해질의 고질적인 한계로 지적돼 온 낮은 이온전도도 문제를 근본적으로 개선했다.

이번 연구의 가장 큰 성과는 기존 리튬이온전지 제조 공정과의 높은 호환성이다. 새로 개발된 고분자 전해질은 액체 상태에서 기존 공정과 동일한 방식으로 전극에 코팅하거나 침투시킬 수 있으며, 이후 간단한 공정을 거쳐 고체 전해질로 전환된다. 별도의 고가 설비를 도입하지 않고도 기존 리튬이온전지 생산 라인을 전고체전지 공정으로 단계적으로 전환할 수 있는 가능성을 제시한 셈이다.

사진 왼쪽부터 오경석 연세대 연구원, 이지은 고려대 연구원, 곽상규 고려대 교수, 이상영 연세대 교수. 연세대 제공

연구팀은 또 이 전해질을 적용해 두꺼운 전극을 사용하면서도 실온과 낮은 압력 조건에서 안정적으로 작동하는 전고체전지를 구현했다. 이를 통해 기존 리튬이온전지의 에너지 밀도(약 250Wh/㎏) 대비 두 배 수준인 516Wh/㎏에 달하는 고에너지 전고체전지 실현 가능성을 제시했다.

이상영 연세대 교수는 "이번 연구는 기존 리튬이온전지 제조 공정과의 호환성이 매우 뛰어난 고체 전해질 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 크다"며 "엔트로피 기반 고분자 전해질을 활용하면 복잡한 추가 공정 없이도 고에너지 전고체전지를 구현할 수 있어 전고체전지 상업화를 실질적으로 앞당길 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구지원사업과 나노·소재기술개발지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 "대규모 고에너지 전고체전지를 위한 엔트로피 충돌 기반 양쪽성이온 건식 고분자 전해질(Conflicting entropy-driven zwitterionic dry polymer electrolytes for scalable high-energy all-solid-state batteries)"이라는 제목으로 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 지난 6일 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr