KAIST, 급속충전 성능 높이는 배터리 분리막 개발

리튬이온 이동 경로 제어…배터리 손상 억제

급속충전 조건서 100회 반복 후 용량 94% 유지

카이스트는 9일 화학과 윤동기·변혜령 교수 공동 연구팀이 액정 고분자의 분자 배열을 제어하는 차세대 리튬 금속 배터리 분리막을 개발했다고 밝혔다. ⓒ카이스트

급속충전 조건에서 100회 충·방전 후에도 초기 용량의 94%를 유지하는 배터리 분리막 기술이 개발됐다.

카이스트(KAIST)는 9일 화학과 윤동기·변혜령 교수 공동 연구팀이 액정 고분자의 분자 배열을 제어하는 차세대 리튬 금속 배터리 분리막을 개발했다고 밝혔다.

리튬 금속 배터리는 기존 리튬이온 배터리보다 같은 무게에 더 많은 에너지를 저장할 수 있지만, 충전 과정에서 리튬이 불균일하게 쌓이는 문제가 발생한다. 나뭇가지 모양으로 쌓이는 리튬 결정인 ‘덴드라이트’는 분리막을 손상시켜 배터리 수명을 줄이고 내부 합선을 일으킬 수 있다.

연구팀은 리튬이온이 전극을 향해 빠르고 고르게 이동하도록 분리막 내부의 통로를 설계했다. 액정 고분자에 이온 이동을 돕는 폴리에틸렌글리콜(PEG) 사슬을 도입해 분자 배열 방향에 따른 성능 차이를 비교한 것이다.

실험 결과 분자를 수직으로 배열한 분리막은 수평 배열보다 이온 이동 경로의 굴곡도가 약 2.5배 낮았다. 이온이 전극 방향으로 고르게 이동하면서 덴드라이트 형성도 억제됐다.

이론상 약 15분 충전에 해당하는 4C 조건에서 충·방전을 100회 반복한 뒤에도 초기 용량의 94%를 유지했다. 다만 실제 완전 충전 시간은 배터리 특성과 충전 방식에 따라 달라질 수 있다.

이번 기술은 향후 고에너지 밀도 배터리 개발에 활용돼 전기차 주행거리 확대와 충전시간 단축에 기여할 것으로 기대된다.

연구 결과는 지난 9월 국제 학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 게재됐다.

윤동기 교수는 “향후 긴 주행거리와 빠른 급속 충전이 필수적인 고에너지 밀도 차세대 배터리 기술 개발에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.