[로이슈 전여송 기자] 동국대학교는 화공생물공학과 김성곤·이용혁 교수와 나홍빈 박사과정생으로 구성된 연구팀이 리튬금속전지의 수명과 충·방전 성능을 개선할 수 있는 준고체 고분자 전해질을 개발했다고 11일 밝혔다.

이번 연구는 독일 막스플랑크 프리츠하버연구소와 공동으로 진행했으며, 양쪽성이온을 도입한 열가소성 폴리우레탄(TPU) 기반 전해질을 개발하고 머신러닝 분자 모델링을 통해 성능 변화의 원인을 분석한 것이다.

연구 결과는 지난 2일 에너지·재료 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 온라인 게재됐다. 김성곤·이용혁 교수가 교신저자, 나홍빈 박사과정생이 제1저자로 참여했다.

리튬금속전지는 기존 리튬이온전지보다 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있지만, 충·방전 과정에서 리튬이 나뭇가지 형태로 성장하는 덴드라이트 현상이 발생할 수 있다. 이로 인해 내부 단락과 열폭주 위험이 있으며, 기존 준고체 전해질은 리튬 이온 전달수가 낮다는 한계가 있었다.

연구팀은 탄성을 가진 TPU 고분자 사슬에 양쪽성이온을 결합해 리튬 이온과 음이온의 이동을 조절하는 구조를 설계했다. 양쪽성이온은 하나의 분자에 양전하와 음전하를 함께 가진 물질로, 음전하를 띤 인산기는 리튬 이온과 상호작용하고 양전하를 띤 암모늄기는 리튬염의 음이온 이동을 제한하도록 했다.

실험 결과, 개발한 전해질은 액체 전해질과 유사한 수준의 이온전도도를 유지하면서 리튬 이온 전달수 0.72를 기록했다. 이는 비교 대상인 액체 전해질의 0.36보다 2배 높은 수치다.

연구팀은 양자역학 계산 데이터를 학습한 머신러닝 모델을 활용해 고분자와 리튬염 사이의 상호작용도 분석했다. 단순화한 분자 모델에서 이온쌍 분리에 따른 에너지 차이는 양쪽성이온 올리고머가 없을 때 3.63eV였으나, 이를 포함한 경우 0.29eV로 낮아졌다.

연구팀은 이를 통해 양쪽성이온이 포함된 고분자가 리튬 이온과 음이온이 분리된 상태를 안정화하는 데 관여할 수 있음을 확인했다고 설명했다.

전지 성능 평가에서도 차이가 나타났다. 개발한 전해질을 적용한 리튬 대칭 전지는 1000시간 이상 작동했으며, 비교 대상인 액체 전해질을 사용한 전지는 약 800시간 만에 단락이 발생했다.

리튬인산철(LFP) 양극을 사용한 전지는 300회 충·방전 이후에도 초기 용량의 87%를 유지했다. 약 15분 만에 충·방전하는 4C 조건에서는 액체 전해질을 사용한 전지보다 약 1.5배 높은 용량을 기록했다. 연구팀은 구부린 상태에서도 작동하는 파우치형 전지를 통해 유연 전지 적용 가능성도 확인했다.

이번 연구는 산업통상부 산업기술혁신사업과 중소벤처기업부·중소기업기술정보진흥원, 과학기술정보통신부·한국연구재단의 미래소재디스커버리 지원 플러스 사업의 지원을 받아 수행됐다. 분자 모델링 계산에는 한국과학기술정보연구원 국가슈퍼컴퓨팅센터의 초고성능컴퓨팅 자원을 활용했다.

김성곤 교수는 "이번 연구는 고분자를 액체 전해질을 담는 그릇이 아니라 이온의 움직임을 조절하는 소재로 설계했다는 데 의미가 있다"며 "고에너지밀도 전지와 유연 전지 개발에 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이용혁 교수는 "머신러닝 분자 모델링으로 고분자와 이온 사이의 상호작용을 분석해, 실험에서 관찰된 성능 향상을 이해하는 분자적 근거를 제시했다"고 말했다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr