[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 화학과 변혜령 교수 연구팀이 서울대학교 손창윤 교수팀과 공동으로 상온에서도 안정적으로 작동하는 새로운 유기 고체 전해질 필름을 개발했다고 4일 밝혔다.

리튬메탈전지는 기존 리튬이온전지를 대체할 차세대 고에너지 전지로 주목받고 있다. 특히 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 바탕으로 전기차와 에너지저장시스템(ESS) 분야에서 핵심 기술로 여겨지고 있다.

그러나 기존 리튬메탈전지는 불이 잘 붙는 액체 전해질을 사용할 경우 화재 위험이 높아 상용화가 어려웠다. 이를 해결하기 위한 대안으로 유연성을 가진 유기 고체 전해질이 제시되었으나, 상온에서 리튬 이온의 전달 속도가 느려 실용화에 한계가 있었다.

COF 고체 전해질 내 리튬 이온 전도 메커니즘의 분자 동역학 시뮬레이션 분석 (a) COF 내 두 개의 서로 다른 이온 전도 서브 채널을 통한 리튬 이온(청록색 구)의 이온 전도 경로 (b) 메타다이내믹스 시뮬레이션을 통해 얻은 이동 경로별 2차원 자유에너지 지형도 [사진=한국과학기술원] 2025.11.04 biggerthanseoul@newspim.com

연구팀은 구멍이 일정하게 배열된 다공성 구조의 공유결합유기골격구조체(COF, Covalent Organic Framework)라는 신소재를 이용해 머리카락 굵기의 약 5분의 1 수준인 두께 약 20μm의 고체 전해질을 제작했다. 이번에 개발된 COF 전해질은 금속유기골격체(MOF, Metal Organic Framework)와 유사한 다공성 결정성 구조를 가지지만, 전지 구동 환경에서 화학적 안정성이 크게 향상된 점이 특징이다.

연구진은 리튬 이온을 전달하는 기능기를 일정한 간격으로 정교하게 배치해, 기존에는 높은 온도에서만 이동하던 리튬 이온이 실온에서도 기능기를 따라 빠르게 이동할 수 있도록 설계했다. 특히 '이중 설폰산화 기능기'를 나노 기공에 도입해, 리튬 이온이 가장 짧은 직선 경로를 따라 빠르게 이동할 수 있는 통로를 구현했다.

그 결과 개발된 전해질은 기존 유기계 고체전해질보다 리튬 이온 이동 속도가 10~100배 빠른 것으로 나타났다. 이를 리튬메탈 기반 리튬인산철(LiFePO₄) 전지에 적용한 결과, 300회 이상 충·방전을 반복한 후에도 초기 용량의 95% 이상을 유지했으며, 쿨롱 효율 99.999%를 입증했다.

변혜령 교수는 "이번 연구는 실온에서도 빠른 리튬 이온 이동이 가능한 유기 고체전해질을 구현해 리튬메탈전지의 상용화에 한 걸음을 앞당긴 성과"라며, "무기 고체전해질과 하이브리드 형태로 결합할 경우 계면 안정성 문제를 개선할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials) 10월 5일자에 게재됐다. KAIST 화학과 최락현 대학원생이 제1저자로 참여했으며, 연구는 LG에너지솔루션과 KAIST 프런티어 연구소 및 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

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