KAIST 연구진이 리튬 금속 배터리에서 리튬이온이 빠르고 고르게 이동하도록 돕는 분리막 기술을 개발했다. 급속 충전 때 배터리를 손상시키는 리튬의 불균일한 쌓임을 줄이는 기술로, 충전 시간을 줄이고 수명을 늘리는 차세대 배터리 개발에 기여할 것으로 기대된다.
KAIST(총장 배충식)는 화학과 윤동기 교수와 변혜령 교수 공동 연구팀이 액정 고분자의 분자 배열을 제어해 리튬이온의 이동 경로를 정밀하게 조절하는 차세대 배터리 분리막 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.
리튬 금속 배터리는 리튬 금속을 음극으로 사용해 기존 리튬이온 배터리보다 더 많은 에너지를 담을 수 있는 차세대 배터리다. 그러나 충전 과정에서 리튬이 한곳에 몰려 뾰족한 나뭇가지 모양으로 쌓이는 ‘덴드라이트(Dendrite)’가 발생하기 쉽다. 이렇게 자란 리튬은 배터리 수명을 줄이고, 양극과 음극의 직접 접촉을 막는 분리막을 손상시켜 내부 합선과 화재를 일으킬 수 있다.
연구팀은 리튬이온이 이동하는 길을 정돈하는 데 주목했다. 이동 경로가 구불구불하면 이온이 돌아가야 하고, 특정 부위로 몰릴 수 있기 때문이다. 이온이 전극을 향해 곧고 고르게 이동하도록 길을 설계하면 빠르게 충전하면서도 리튬이 불균일하게 쌓이는 현상을 줄일 수 있다.
이를 위해 연구팀은 분자들이 일정한 방향으로 배열되는 액정(Liquid Crystal) 소재를 활용했다. 액정은 고체처럼 규칙적인 분자 배열과 액체처럼 흐르는 성질을 함께 지니며, 표면 처리 등에 따라 분자 배열 방향을 바꿀 수 있다.
연구팀은 나노미터(nm) 크기의 미세한 구멍이 있는 액정 고분자 분리막을 만들고, 리튬이온의 이동을 돕는 폴리에틸렌글리콜(PEG·Polyethylene Glycol) 사슬을 도입했다. 이어 분자의 배열 방향을 수직 또는 수평으로 조절해 리튬이온이 어떻게 이동하는지 비교했다.
그 결과, 분자를 수직으로 가지런히 배열한 분리막에서는 리튬이온이 전극 방향으로 곧게 이동하는 통로가 형성됐다. 수평으로 배열한 비교용 분리막보다 이온 이동 경로의 굴곡도가 약 2.5배 낮아졌으며, 리튬이온이 더 빠르고 균일하게 이동해 덴드라이트 형성을 효과적으로 억제했다.
연구팀은 개발한 분리막을 리튬 금속 배터리에 적용해 급속 충전 성능도 확인했다. 이론상 약 15분 만에 충전할 수 있는 빠른 충전 조건(4C)에서 충전과 방전을 100회 반복한 뒤에도 초기 용량의 94%를 유지했다. 다만 실제 완전 충전에 걸리는 시간은 배터리 특성과 충전 방식 등에 따라 달라진다. 이 결과는 분리막의 분자 배열을 조절해 급속 충전 과정에서 발생하는 성능 저하를 줄일 수 있음을 보여준다.
이번 연구는 배터리를 구성하는 소재뿐 아니라 그 안의 분자를 어떤 방향으로 배열하느냐도 충전 성능과 수명을 높이는 데 중요하다는 점을 보여줬다. 향후 같은 무게에 더 많은 에너지를 담는 리튬 금속 배터리 개발에 활용되면, 더 오래 사용하는 전자기기와 더 멀리 주행하는 전기차 구현에 기여할 것으로 기대된다.
윤동기 교수는 “이번 연구는 액정 고분자의 분자 배열을 제어해 리튬이온의 이동 경로를 효율적으로 설계하고, 이를 통해 배터리의 성능과 안정성을 향상시킬 수 있음을 보여준 사례”라며 “향후 긴 주행거리와 빠른 급속 충전이 필수적인 고에너지 밀도 차세대 배터리 기술 개발에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구에는 KAIST 이근중 박사과정과 최락현 박사가 공동 제1저자로, 변혜령 교수와 윤동기 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 2026년 9월 게재됐다.
이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 GIST 이노코어(InnoCORE) 프로그램의 지원을 받아 수행됐다.
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