폭발하지 않는 안전한 배터리로 ‘전고체전지’가 꼽힌다. 불에 잘 붙는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 써서 안전성을 강화한 형태다. 그만큼 고체 전해질의 성능이 중요한데, 최근 그 성능을 크게 높일 신개념 물질이 개발됐다.
이상영-곽상규 에너지 및 화학공학부 교수팀은 쭉 뻗은 고속도로 같은 이온 통로를 가져, 리튬 이온만 선택적으로 빠르게 이동하는 신개념 ’고체 이온전도체’를 개발했다. 고체이면서 리튬 이온만 효과적으로 전달한다는 점에서 전고체전지나 리튬금속전지 같은 차세대 배터리의 원천소재로 기대를 모으고 있다.
현재 널리 사용되는 리튬이온전지는 인화성(引火性) 액체 전해질을 사용해 화재나 폭발 등에 취약하다. 그 대안으로 고체 전해질이 개발 중이지만 이온 전도가 액체 전해질보다 낮은 단점이 있다. 특히 기존에 보고된 다수의 고체 전해질은 구불구불하고 복잡한 경로를 따라 이온이 이동하기 때문에 배터리 성능을 높이는 데 한계가 있었다.
유기 골격 구조체 채널을 통한 리튬 이온 이동 개념
이상영 교수팀은 이를 해결하기 위한 차별화된 시도를 진행했다. 유기 분자가 공유결합을 이룬 다공성 물질인 ‘공유결합성 유기 골격 구조체(covalent organic frameworks, COFs)’를 이온전도체로 활용한 것이다. 이 물질 내부에는 규칙적으로 배열된 통로가 생기는데, 이것을 리튬 이온만 다니도록 설계해 이온 전도의 성능을 비약적으로 높였다.
제1저자인 정기훈 에너지 및 화학공학부 박사는 “새로 개발한 이온전도체는 액체를 전혀 사용하지 않는 고체상”이라며 “전해질 내에서 리튬 이온만 이동하는 ‘단(單)이온 리튬 전도성(single lithium-ion conduction behavior)’도 구현한다”고 설명했다.
단이온 리튬 전도성은 리튬 전해질 내에서 리튬 이온만 이동하는 이상적인 상황을 말한다. 리튬 이온은 양이온이므로 짝을 이루는 음이온도 함께 움직이는 게 일반적이다. 이런 음이온의 불필요한 이동은 전극 표면에 원치 않는 부(副)반응을 일으켜 전지 성능을 낮추게 된다.
이번 연구에서는 리튬 이온과 짝을 이룰 음이온성 단량체(monomer)를 사용해 유기 골격 구조체를 합성했다. 음이온이 리튬 이온이 지나다닐 경로의 일부분으로 고정된 것이다. 그 결과 리튬 이온만 구조체의 통로로 이동하는 이상적인 흐름이 구현됐다. 또 연구진은 이온전도체의 통로 내에 규칙적으로 줄지어진 산소 원자를 따라서 리튬 이온이 최단거리로 이동함을 계산화학을 활용해 이론적으로 규명했다.
새로운 구조체는 리튬 전극을 위아래에 둔 코인 셀의 고체 전해질로 적용해 320시간 이상 안정적으로 기능했다. 또한 실험이 끝난 뒤 리튬 금속 전극의 표면이 매끄러운 표면을 보였다.
이상영 교수는 “이번 연구는 고체 이온전도체를 설계하는 새로운 방향을 제시해 전고체전지를 포함한 차세대 전지의 상업화에 꼭 필요한 ‘고성능 고체 전해질’ 개발의 발판을 마련했다”며 “특히 폭발 위험이 있는 유기용매를 완전히 배제하면서 리튬 이온만 선택적으로 효과적으로 전달할 수 있다”고 강조했다.
그는 이어 “이러한 이온전도체의 특성은 전고체전지의 전해질로 적합할 뿐 아니라 반응성 높은 리튬금속전극에서도 우수하게 활용될 수 있어 고에너지 배터리로 주목받는 리튬금속전지에도 활용 가능할 것”이라고 전망했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자(도약)지원사업 및 삼성전자 미래기술육성센터의 지원으로 진행됐다. 연구성과는 화학분야의 세계적 권위지인 ‘미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS) 온라인 속보(3월 19일자)로 게재됐으며, 출판을 앞두고 있다.
