전고체전지의 고체 전해질 성능을 크게 높일 신개념 물질이 개발됐다. 전고체전지는 폭발하지 않는 안전한 배터리로 꼽히며, 불에 잘 붙는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 써서 안전성을 강화한 형태다.
UNIST 에너지 및 화학공학부의 이상영-곽상규 교수팀은 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 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 이동해 배터리 성능을 높이는 데 한계가 있었다.
연구팀은 유기 분자가 공유결합을 이룬 다공성 물질인 ‘공유결합성 유기 골격 구조체(COFs)’를 이온전도체로 활용했다. 물질 내부에 규칙적으로 배열된 통로가 생기는데, 이것을 리튬 이온만 다니도록 설계해 이온 전도의 성능을 비약적으로 높였다.
제1저자인 정기훈 UNIST 에너지 및 화학공학부 박사는 “새로 개발한 이온전도체는 액체를 전혀 사용하지 않는 고체상이다. 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.
연구성과는 화학분야의 세계적 권위지인 ‘미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS) 온라인 속보(3월19일자)로 게재됐다.

교수신문 다른기사 보기