극미세 기공 제어 분리막 개발, 유기배터리 구현 앞당겨
고에너지 밀도 필요한 전기자동차 등에 활용 가능성

(왼쪽부터) 서울대 공대 재료공학부 강기석 교수, 공동1저자인 Songyan Bai 연구원과 김병훈 연구원. 사진=서울대학교 제공

서울대 재료공학부 강기석 교수 연구팀이 Post-리튬 이차전지를 개발해 학계의 큰 주목을 받고 있다. 연구 논문은 세계적인 학술지 <네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)>에 11월 2일자로 게재됐다.

이번 연구는 차세대 배터리 소재로 주목받고 있는 유기물 이차전지의 수명저하 문제를 극복할 방법을 개발한 것이다. 고에너지 밀도가 필요한 전기자동차를 비롯해 에너지 저장 시스템인 ESS(Energy Storage System)등에 활용할 수 있다.

유기물 이차전지는 수명 저하 문제가 걸림돌이었다. 연구팀은 수명저하의 근본적인 원인으로 '용해된 유기물 전극분자가 반대편 음극까지 이동하는 현상(셔틀현상)때문이라는 것을 밝혔다.

연구팀은 이러한 셔틀 현상을 억제하기 위해 전지 내 리튬 이온과 전해질 분자는 통과하면서 유기물 전극 분자 이동은 가로막을 수 있는 극미세 기공이 제어된 분리막을 개발했다. 분리막을 양극과 음극 사이에 도입해 유기물 이차전지의 수명특성을 크게 향상시키는데 성공한 것이다.

MOFs 분리막 공정을 통한 유기물 전극 이동의 선택적 제어. 사진=서울대학교 제공

연구팀은 금속유기구조체(MOFs)라는 소재가 격자구조 내부에 균일하고 규칙적으로 수많은 구멍들이 존재하며 MOFs의 구성요소인 금속단위와 유기물단위를 적절하게 선택하고 조합하면 서브 나노미터 수준에서 구멍의 크기를 원하는 대로 조절할 수 있다는 점에 착안했다.

분리막의 나노공정을 통해 전해질 염 분자들은 통과시키면서 유기물 전극 분자들의 이동은 억제할 수 있는 MOFs 분리막(ZIF-8, zeolite imidazole framework-8)을 만들어냈다. MOFs 분리막을 도입한 결과 2,000번의 장기간 충전 방전 사이클 후에도 전극의 용량이 80 % 이상 유지되는 것을 확인했다. 이는 지금까지 보고된 일반적인 유기물 이차전지의 용량이 수백 사이클 이내에 절반 이하로 떨어지는데 비해 비약적으로 발전된 우수한 성능을 보여주는 것이다.

강기석 교수는 “극미세 기공 제어 분리막 소재의 성공적인 개발과 가능성은 유기물 이차전지도 장기 사이클 동안 충전·방전이 가능한 에너지 저장장치로 개발될 수 있음을 확인했다는 점에서 고무적이며 차세대 소재로서 추후 상용화의 발판을 놓아 줄 우수한 연구 결과”라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부․한국연구재단의 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐다.

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