리튬이차전지 성능을 세 배 이상 향상시키고 안전성을 개선하는 기술이 개발됐다. 소형전지뿐만 아니라 전기차, 스마트그리드용 중대형 전지에 응용될 것으로 보인다.
이상영 울산과학기술대(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수팀은 오팔 보석 구조를 역이용한 리튬이차전지용 분리막을 개발했다고 24일 밝혔다. 나노미터(㎚) 단위의 기공이 균일하게 분포된 구조로 리튬이온의 전달력과 내열성을 크게 향상시켰다.
리튬이차전지 분리막은 양극·음극이 닿지 못하게 격리하는 동시에 전해액으로 두 극 사이를 오가며 충전·방전을 가능케 한다.
폴리에틸렌·폴리프로필렌을 주로 쓰지만 기공도가 낮고 구조가 균일하지 못해 전기차 배터리 등 차세대 전지에서 요구되는 고출력, 고속충전 특성을 확보하지 못했다. 고온에서는 분리막이 수축돼 양극·음극이 뒤섞이면서 배터리가 폭발할 위험도 있었다.
연구진이 개발한 분리막은 150℃ 고온에서도 열 수축 현상이 전혀 발생하지 않았다. 리튬이차전지에 적용한 결과 기존 전지에 비해 세 배 이상 출력이 높았고 충전 속도는 갑절 이상 빨랐다. 수명도 세 배 이상 연장되는 등 뛰어난 성능을 보였다.
전해액 흡수력도 향상돼 극성전해액 등 다양한 전해액을 사용할 수 있게 됐다. 기존 분리막은 물에 잘 젖지 않는 특성 때문에 극성이 높은 전해액을 사용할 수 없었다.
연구진이 사용한 오팔 구조는 균일한 크기의 나노입자들이 규칙적·반복적으로 배열된 구조로 천연 오팔 원석이나 나비 날개 등에서 나타난다. 여기서 나노입자를 제거해 균일한 다공 구조를 만든 것이 역 오팔 구조다. 연구진은 이 모양대로 분리막을 만들어 기존 분리막 한계를 극복했다.
박재문 미래창조과학부 연구개발정책실장은 “전기자동차, 스마트그리드용 중대형 전지 성능과 안전성을 향상시킬 수 있는 신개념 분리막의 기술적 토대를 마련한 데 의의가 있다”고 밝혔다. 대면적 분리막 제조·검증 기술 확보가 상용화를 위한 과제로 제시됐다.
연구는 미래부 ‘기후변화대응 기술개발사업’ 지원을 받아 수행됐고 미국화학회(ACS)에서 발행하는 화학·재료과학분야 국제학술지 ‘나노레터스’ 온라인판에 소개됐다.
송준영기자 songjy@etnews.com
