울산과학기술원(UNIST·총장 정무영)이 폭발 위험 없는 고체 리튬이온전지 성능을 높여 상용화를 앞당길 수 있는 핵심 소재를 개발했다.
UNIST는 이상영·곽상규 에너지 및 화학공학부 교수팀이 리튬 이온만 골라 빠르게 전달하는 신개념 '고체 이온전도체'를 개발했다고 8일 밝혔다.
고체 이온전도체는 고체이면서 내부에 마치 고속도로 같은 이온 통로가 있어 리튬 이온만 효과적으로 전달하는 소재다. 전고체전지와 리튬금속전지 등 차세대 배터리 성능을 크게 높여 줄 것으로 기대를 모으고 있다.
리튬이온전지는 인화성 액체 전해질을 사용해 화재나 폭발에 취약하다. 대안으로 전고체전지와 고체 전해질 연구가 활발하지만 아직까지 액체 전해질에 비해 '이온 전도'가 낮다. 이온 전도는 이온 이동에 따른 전하의 활동성을 나타내는 것으로 이온 전도가 높을수록 전지 성능도 좋아진다.
기존 연구 성과로 나온 다수 고체 전해질은 구불구불하고 복잡한 경로를 따라 이온이 이동하기 때문에 이온 전도를 높이기 어려웠고, 전지 성능 향상에도 한계를 보였다.
이 교수팀은 유기 분자를 공유결합한 다공성 물질인 '공유결합성 유기 골격 구조체(COFs)'를 새로운 이온전도체로 활용해 이 문제를 해결했다. COFs 내부에 규칙적으로 배열된 통로를 따라 리튬 이온만 통하도록 설계한 '단(單)이온 리튬 전도성'을 구현, 고체 전해질의 이온 전도력을 비약적으로 높였다.
단이온 리튬 전도성은 리튬 전해질 내에서 리튬 이온만 이동하는 이상적인 상황을 말한다. 리튬 이온은 양이온이라 짝을 이루는 음이온이 함께 움직인다. 이 음이온의 불필요한 이동은 전극 표면에 원치 않는 부가 반응을 일으켜 전지 성능을 떨어뜨린다.
이 교수팀이 개발한 이온전도체의 특성은 전고체전지용 전해질로 적합하고, 반응성이 높은 리튬금속전지에도 활용 가능하다.
이상영 교수는 “고체 이온전도체 설계의 새로운 방향을 제시해 전고체전지를 포함한 차세대 전지의 상업화에 필요한 '고성능 고체 전해질' 개발의 발판을 마련했다”면서 “폭발 위험이 있는 유기용매를 완전히 배제하면서 리튬 이온만 선택해 효과적으로 전달할 수 있다”고 말했다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
