이상영·곽상규 교수팀, ‘고체 이온전도체’로 액체 인화성 제거
울산과학기술원(UNIST) 연구진이 배터리가 폭발하지 않도록 배터리 안전성을 높이는 소재를 개발했다.
이상영·곽상규 에너지 및 화학공학부 교수팀은 고속도로처럼 쭉 뻗은 형태의 이온 통로에서 리튬 이온만 선택적으로 빠르게 이동하는 개념의 ‘고체 이온전도체’를 개발했다고 8일 밝혔다.
현재 널리 사용되는 리튬 이온 전지는 인화성 액체 전해질을 사용해 화재나 폭발 등에 취약하다.
그 대안으로 고체 전해질이 개발 중이지만, 이온 전도(이온이 움직이면서 전하가 운반되는 현상)가 액체 전해질보다 낮은 단점이 있다.
무엇보다 그동안 보고된 고체 전해질은 구불구불하고 복잡한 경로를 따라 이온이 이동하는 문제로 배터리 성능을 높이는 데 한계가 있었다.
연구진은 이를 해결하고자 차별화된 시도를 했다.
유기 분자가 공유결합을 이룬 다공성 물질인 ‘공유결합성 유기골격 구조체'(COFs·covalent organic frameworks)를 이온전도체로 활용한 것이다.
이 물질 내부에는 규칙적으로 배열된 통로가 생기는데, 이것을 리튬 이온만 다니도록 설계해 이온 전도 성능을 비약적으로 높였다.
리튬 이온은 양이온이어서 짝을 이루는 음이온도 함께 움직이는 게 일반적인데, 음이온의 불필요한 이동은 전극 표면에 원치 않는 부(副)반응을 일으켜 전지 성능을 낮추게 된다.
연구진은 리튬 이온과 짝을 이룰 음이온성 단량체(monomer)를 리튬 이온이 지나다니는 경로의 일부분으로 고정했는데, 그 결과 리튬 이온만 구조체 통로로 이동하는 이상적인 흐름이 구현됐다.
이상영 교수는 “이번 연구는 고체 이온전도체를 설계하는 새로운 방향을 제시해, 차세대 전지 상업화에 필요한 ‘고성능 고체 전해질’ 개발 발판을 마련했다”면서 “특히 고에너지 배터리로 주목받은 리튬금속 전지의 원천소재로 활용할 수 있을 것”이라고 전망했다.
이번 연구는 화학 분야 국제 학술지인 미국 화학회지(JACS) 3월 19일 자 온라인 속보로 게재됐다.
연합뉴스