국내 연구진이 폭발하지 않는 안전한 리튬이온 고체 배터리 개발을 한발짝 앞당겼다.

UNIST 에너지 및 화학공학부 이상영·곽상규 교수팀이 리튬 이온만 선택적으로 빠르게 이동하는 신개념 ’고체 이온전도체’를 개발했다고 8일 밝혔다.

고체인데도 리튬 이온만 효과적으로 전달해서 전고체전지나 리튬금속전지 같은 차세대 배터리 원천소재로 기대를 모으고 있다.

현재 널리 사용하는 리튬이온전지는 인화성 액체 전해질을 사용해 화재나 폭발에 취약하다. 종종 스마트폰 폭발 사건이 발생하는 이유다. 대안으로 고체 전해질을 개발하고 있는데, 이온 전도가 액체 전해질보다 낮아 실용화에 어려움을 겪고 있다. 특히 고체 전해질은 구불구불하고 복잡한 경로를 따라 이온이 이동해 배터리 성능을 높이는 데 한계가 있었다.

이상영 교수팀은 이를 해결하려고, 유기 분자가 공유결합을 이룬 다공성 물질인 ‘공유결합성 유기 골격 구조체(covalent organic frameworks, COFs)’를 이온전도체로 활용했다. 이 물질은 내부에 규칙적으로 배열된 통로가 생기는데, 연구팀은 이곳을 리튬 이온만 다니도록 설계해 이온 전도 성능을 비약적으로 높였다.

제1저자인 정기훈 UNIST 에너지 및 화학공학부 박사는 “새로 개발한 이온전도체는 액체를 전혀 사용하지 않는 고체”라며 “전해질 내에서 리튬 이온만 이동하게 할 수 있다”고 설명했다.

연구진은 리튬 이온과 짝을 이룰 음이온성 단량체(monomer)를 사용해 유기 골격 구조체를 합성했다. 음이온이 리튬 이온이 지나다니는 경로에 고정돼, 리튬 이온만 이동할 수 있는 이상적인 통로를 만들었다. 또 연구진은 이온전도체 통로 내에 규칙적으로 줄지은 산소 원자를 따라서 리튬 이온이 최단거리로 이동함을 계산화학을 활용해 이론적으로 규명했다.
 

 
이상영 교수는 “고체 이온전도체를 설계하는 새로운 방향을 제시해 전고체전지를 포함한 차세대 전지 상용화에 꼭 필요한 ‘고성능 고체 전해질’ 개발에 발판을 마련했다”며 “특히 폭발 위험이 있는 유기용매를 전혀 쓰지 않으면서 리튬 이온만 선택적으로 전달할 수 있다”고 강조했다.

이번 연구성과는 화학분야 세계 권위지인 ‘미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)에 온라인 속보(3월 19일자)로 게재됐다.

[테크M = 박응서 기자(gopoong@techm.kr)]