“충전 빠르고 수명은 길게”…KAIST, 차세대 배터리 난제 풀었다

[헤럴드경제=구본혁 기자] 전기차 충전 시간을 줄이면서 배터리 수명까지 늘릴 수 있는 신기술이 개발됐다.

KAIST는 화학과 윤동기·변혜령 교수 공동연구팀이 액정 고분자의 분자 배열을 제어해 리튬이온의 이동 속도와 안정성을 높이는 차세대 배터리 분리막을 개발했다고 9일 밝혔다.

리튬 금속 배터리는 기존 리튬이온 배터리보다 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 차세대 전기차 배터리로 주목받는다. 하지만 충전 과정에서 리튬이 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라는 ‘덴드라이트’ 현상이 상용화의 걸림돌로 꼽힌다.

덴드라이트는 배터리 수명을 단축시키고 분리막을 손상시켜 내부 합선과 화재를 유발할 수 있다. 특히 급속충전 과정에서 리튬이 불균일하게 쌓이면 이러한 위험이 커진다.

연구팀은 리튬이온이 이동하는 경로를 바꾸는 방식으로 문제 해결에 나섰다. 리튬이온이 구불구불한 경로 대신 전극을 향해 곧고 균일하게 이동하도록 설계한 것이다.

이를 위해 나노미터(㎚) 크기의 미세한 구멍을 가진 액정 고분자 분리막을 제작하고, 리튬이온 이동을 돕는 폴리에틸렌글리콜(PEG) 사슬을 도입했다. 이어 액정 분자를 수직으로 정렬해 이온이 이동하는 통로를 직선화했다.

개발한 수직 배열 분리막은 수평 배열 분리막보다 리튬이온 이동 경로의 굴곡도가 약 2.5배 낮았다. 이온이 빠르고 고르게 이동하면서 배터리 손상의 주범인 덴드라이트 형성도 효과적으로 억제됐다.

이 분리막을 리튬 금속 배터리에 적용한 결과, 이론상 15분 충전에 해당하는 4C 조건에서 100회 충·방전을 반복한 뒤에도 초기 용량의 94%를 유지했다.

이번 연구는 배터리 소재 자체를 바꾸지 않고도 내부 분자 배열을 정밀하게 제어해 충전 성능과 안정성을 높일 수 있다는 점에서 의미가 크다.

특히 높은 에너지 밀도와 빠른 충전이 요구되는 전기차 배터리에 적용할 경우 충전 시간 단축과 주행거리 확대에 기여할 것으로 기대된다. 다만 실제 상용화를 위해서는 대면적 분리막 제조 기술 확보와 장기 내구성 검증 등이 필요하다.

윤동기 교수는 “액정 고분자의 분자 배열을 제어해 리튬이온 이동 경로를 효율적으로 설계하고 배터리 성능과 안정성을 향상시킬 수 있음을 보여줬다”며 “긴 주행거리와 빠른 급속충전이 필수적인 차세대 고에너지 밀도 배터리 개발에 기여할 것”이라고 말했다.

KAIST 이근중 박사과정과 최락현 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 9월호에 게재됐다.

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