김병수 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 교수와 이상영 에너지 및 화학공학부 교수 연구팀(이하 김 교수팀)이 리튬이온전지 성능을 높여줄 새로운 분리막을 개발했다. 이온 통로로만 쓰이던 기존 분리막을 화학작용에도 관여할 수 있도록 `기능성 나노셀룰로오스`를 도입한 `화학적 기능성막`이다.
이 분리막은 전지 성능을 저해하는 불순물을 화학작용으로 걸러낼 수 있다. 고성능 리튬이온전지 제조에 기여할 전망이다.
기능성 나노셀룰로오스는 나무에서 얻은 셀룰로오스에 합성 분자체를 접목해 만든 물질이다. 분리막에 적용하면 화학작용을 일으켜 불순물을 걸러내는 기능을 수행한다.
분리막은 이차전지에서 양극과 음극 사이에 있는 소재다. 전지의 화학반응에는 직접 관여하지 않는데, 이번 연구는 분리막에 화학적 기능을 불어넣어 새로운 활용성을 찾았다. 기존 이차전지 성능을 획기적으로 개선할 길을 연 셈이다.
김 교수팀은 이차전지 분리막을 2층 구조로 설계해 성능을 높였다. 작은 구멍을 가진 기능성 나노셀룰로오스에 큰 구멍을 가진 다공성 고분자 섬유를 겹쳐 만든 2층 구조의 분리막은 전지 성능을 떨어뜨리는 불순물 제거 기능을 발휘했다.
셀룰로오스에 중금속 이온과 화학반응을 일으키는 분자체를 붙여 화학적 기능을 부여하고, 이 화학적 기능으로 전지 성능 저하를 가져오는 불산도 다공성 고분자 섬유를 제거하는 방식이다.
화학적 기능성막은 차세대 양극 활물질로 주목받는 리튬망간산화물(LMO) 상용화에도 기여할 수 있다.
LMO는 저렴하고 출력 특성이 우수지만 고온에서 망간이 흘러나와 전지 성능을 급격하게 약화시키는 게 단점이다. 하지만 김 교수팀이 개발한 새로운 분리막을 쓰면 이러한 현상을 개선할 수 있다. 분리막의 일반적인 기능을 넘어 화학작용을 통한 `전기화학적 활성 분리막`의 가능성을 확인한 것이다.
김병수 교수는 “고분자 구조체에 화학적 성질 변화을 일으켜 새로운 기능을 부여하고 이를 실제 전지에 성공적으로 응용한 사례”라며 “정체된 전지산업을 활성화할 새로운 돌파구가 될 수 있다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부 한국연구재단 `중견연구자지원사업`과 `글로벌박사양성사업`, 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원의 `IT·R&D 사업` 지원 아래 수행됐다. 연구 성과는 미국화학협회 `나노레터스` 8월호에 실린다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
