[경제일보] 급속충전 때 배터리 수명을 떨어뜨리는 리튬의 불균일한 축적을 줄일 분리막 기술이 개발됐다. 소재의 분자 배열을 정돈해 리튬이온이 전극을 향해 곧고 고르게 이동하도록 만든 것이 핵심이다.
한국과학기술원(KAIST)은 화학과 윤동기·변혜령 교수 공동연구팀이 액정 고분자의 분자 배열을 제어해 리튬이온 이동 경로를 설계하는 차세대 배터리 분리막을 개발했다고 9일 밝혔다.
리튬 금속 배터리는 음극에 리튬 금속을 사용해 기존 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도를 높일 수 있는 기술이다. 그러나 충전 과정에서 리튬이 특정 부위에 집중돼 나뭇가지처럼 자라는 ‘덴드라이트’가 발생하기 쉽다. 이는 배터리 성능을 떨어뜨리고, 심하면 양극과 음극의 접촉을 막는 분리막을 훼손해 내부 합선을 유발한다.
연구팀은 이온이 이동하는 통로의 방향에 주목했다. 통로가 구불구불하면 이온이 돌아가야 하고 이동도 불균일해질 수 있다. 이에 일정한 방향으로 분자가 배열되는 액정 고분자를 이용해 분리막 두께 방향으로 이온 통로를 형성했다.
논문에 따르면 개발한 고분자 필름에는 약 19나노미터(㎚) 크기의 미세 통로가 만들어졌다. 통로 벽면의 폴리에틸렌글리콜(PEG) 사슬은 리튬이온의 이동을 돕는다. 분자를 수직으로 정렬한 필름은 수평으로 정렬한 필름보다 이온 이동 경로의 굴곡도가 약 2.5배 낮았다.
이온 흐름이 고르게 분산되면서 리튬이 뾰족하거나 다공성으로 쌓이는 현상도 억제됐다. 분리막의 미세구조를 바꿔 충전 속도와 리튬 축적의 균일성을 함께 개선한 것이다.
연구팀은 리튬 금속 음극과 니켈 함량이 높은 NCM811 양극을 조합한 전지로 성능을 평가했다. 급속충전 조건인 4C에서 충·방전을 100회 반복한 뒤 초기 용량의 94%를 유지했다.
4C는 정격용량을 기준으로 이론상 15분에 충전할 수 있는 전류 조건을 뜻한다. 이번 성과는 해당 조건에서 실험 전지의 반복 충·방전 성능을 확인한 것으로, 전기차 배터리팩의 15분 완충을 실증한 결과는 아니다.
윤동기 교수는 “액정 고분자의 분자 배열을 제어해 리튬이온 이동 경로를 효율적으로 설계하고 배터리의 성능과 안정성을 향상할 수 있음을 보여준 사례”라며 차세대 고에너지 밀도 배터리 개발에 기여할 것으로 기대했다.
연구 결과는 국제학술지 ‘ACS 나노’에 게재됐다.
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