충전은 빠르게, 수명은 길게…배터리 속 ‘이온 고속도로’ 만들었다
유용하 기자
수정 2026-11-09 10:38
입력 2026-11-09 10:38
세줄 요약
- 카이스트, 액정 고분자 분리막 기술 개발
- 리튬이온 이동 경로 정밀 제어로 급속 충전 구현
- 덴드라이트 억제와 수명 향상 효과 확인
카이스트 화학과 연구팀은 액정 고분자의 분자 배열을 제어해 리튬이온의 이동 경로를 정밀하게 조절하는 차세대 배터리 분리막 기술을 개발했다고 9일 밝혔다. 이 연구 결과는 나노과학 분야 국제 학술지 ‘ACS 나노’에 실렸다.
리튬 금속 배터리는 리튬 금속을 음극으로 사용해 기존 리튬이온 배터리보다 더 많은 에너지를 담을 수 있게 한 장치다. 문제는 충전 과정에서 리튬이 한곳에 몰려 뾰족한 나뭇가지 모양으로 쌓이는 ‘덴드라이트’ 현상이 발생하기 쉽다는 점이다. 덴드라이트는 배터리의 성능과 수명을 떨어뜨릴 뿐 아니라 양극과 음극 사이를 분리하는 막을 뚫고 내부 합선을 일으킬 수 있다. 심하면 발열과 화재로 이어질 위험도 있다.
이에 연구팀은 이온이 전극을 향해 곧바로 이동할 수 있도록 길을 설계하면 빠르게 충전하면서 리튬이 불균일하게 쌓이는 현상을 줄일 수 있을 것이라는 아이디어에 착안했다. 이를 위해 연구팀은 분자들이 일정한 방향으로 배열되는 액정 소재를 사용했다. 액정은 고체처럼 분자들이 일정한 규칙을 갖고 배열되면서도 액체처럼 유동적 성질을 갖고 있어 표면 처리 등을 통해 분자들이 배열되는 방향을 조절할 수 있다는 장점이 있다.
연구팀은 나노미터 크기의 미세한 구멍이 있는 액정 고분자 분리막을 만들고 리튬이온의 이동을 돕는 폴리에틸렌글리콜(PEG) 사슬을 도입했다. 이후 분자 배열 방향을 수직, 수평 방향으로 각각 조절해 리튬이온의 이동 특성을 비교했다.
그 결과, 분자를 수직으로 가지런히 배열한 분리막에서는 리튬이온이 전극 방향으로 곧게 이동하는 통로가 형성됐다. 일종의 배터리 속 고속도로를 깐 것이다. 수평으로 배열한 비교용 분리막보다 이온 이동 경로의 굴곡도가 약 2.5배 낮아졌으며 리튬이온이 더 빠르고 균일하게 이동해 뾰족한 나뭇가지 모양으로 리튬이 쌓이는 ‘덴드라이트’ 형성을 효과적으로 억제했다.
연구팀은 이번에 개발한 분리막을 리튬 금속 배터리에 적용해 급속 충전 성능도 확인했다. 이론상 15분 만에 충전할 수 있는 빠른 충전 조건에서 충전과 방전을 100회 반복한 뒤에도 초기 용량의 94%를 유지하는 것을 관찰했다. 이에 대해 연구팀은 분리막의 분자 배열을 조절해 급속 충전 과정에서 발생하는 성능 저하를 줄일 수 있음을 제시한 것이라고 설명했다.
윤동기 화학과 교수는 “이번 연구는 액정 고분자의 분자 배열을 제어해 리튬이온의 이동 경로를 효율적으로 설계하고 이를 통해 배터리의 성능과 안정성을 향상시킬 수 있음을 보여준 사례”라며, “앞으로 같은 무게에 더 많은 에너지를 담는 리튬 금속 배터리 개발에 활용하면 긴 주행거리를 가진 전기차나 빠른 급속 충전이 필수적인 고에너지 밀도 차세대 배터리 기술 개발에 도움을 줄 것”이라고 말했다.
유용하 과학전문기자
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