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[IT뉴스]리튬금속배터리 '이온 고속도로'…100회 충방전에도 용량 94% 유지

온카뱅크관리자

2026-11-09 12:17:25

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 리튬금속배터리 속 리튬이온이 이동하는 경로를 설계해 배터리 수명을 높이는 연구결과가 발표됐다. KAIST 제공
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 리튬금속배터리 속 리튬이온의 이동경로를 정밀하게 조절해 배터리의 충전 속도를 높이고 수명은 늘리는 기술이 개발됐다. 급속 충전 조건에서 100회 이상 충전과 방전을 반복한 뒤에도 배터리 용량이 초기의 약 94%로 유지됐다. 
 KAIST는 윤동기·변혜령 화학과 교수 공동연구팀이 액정 고분자의 분자 배열을 제어해 리튬이온의 이동 경로를 정밀하게 조절하는 차세대 배터리 분리막 기술을 개발하고 연구결과를 국제학술지 'ACS 나노'에 9월 28일 게재했다고 9일 밝혔다. 
 리튬이온배터리는 흑연을 음극으로 사용하고 리튬(Li)이온이 양극과 음극 사이를 이동하며 전류가 흐르는 식으로 작동한다. 리튬금속배터리는 리튬(Li)을 음극으로 사용해 기존 리튬이온배터리보다 더 많은 에너지를 담을 수 있는 차세대 배터리다.
 리튬금속배터리에는 충전 과정에서 리튬이 한 곳에 몰려 뾰족한 나뭇가지 모양으로 쌓이는 '덴드라이트(Dendrite)'가 발생하기 쉽다. 덴드라이트는 배터리 수명을 줄이고 양극과 음극의 접촉을 막는 '분리막'을 손상시켜 내부 합선과 화재를 일으킬 수 있다. 
 연구팀은 리튬이온이 균일하게 움직일 수 있도록 리튬이온이 이동하는 경로를 설계했다. 리튬이온의 이동 경로가 구불구불하면 이온이 돌아가면서 특정 부위로 몰려 덴드라이트를 형성할 수 있다. 이온이 전극을 향해 곧고 고르게 이동하도록 길을 설계하면 빠르게 충전하면서도 리튬이 불균일하게 쌓이는 현상을 줄일 수 있다. 
 연구팀은 분자들이 일정한 방향으로 배열되는 액정 소재를 이용했다. 액정은 고체처럼 규칙적인 분자 배열과 액체처럼 흐르는 성질을 함께 가져 전류와 표면처리 등에 따라 액정의 분자 배열을 바꿀 수 있다. 
 연구팀은 수 나노미터(nm·1nm는 10억분의 1m) 크기의 미세한 구멍이 있는 액정 고분자 분리막을 만들고 '폴리에틸렌글리콜' 사슬을 액정 분리막에 결합했다. 폴리에틸렌글리콜 사슬 속 산소 원자가 리튬이온과 일시적으로 결합했다가 떨어지는 과정을 반복하면서 리튬이온이 폴리에틸렌글리콜을 따라 원활하게 이동할 수 있도록 유도한다.
 액정 고분자 분리막의 액정 분자를 수직으로 배열하자 리튬이온이 전극 방향으로 곧게 이동하는 통로가 형성됐다. 이 분리막을 리튬금속배터리에 적용했을 때 이론 상 15분 만에 충전할 수 있는 충전 조건에서 충전과 방전을 100회 반복한 뒤에도 초기 용량의 94%를 유지했다. 
 이번 연구는 리튬금속배터리의 수명을 높이고 용량을 키워 향후 긴 주행거리와 빠른 급속 충전이 필수적인 고에너지 밀도 차세대 전지 개발에 기여할 것으로 기대된다. 
 윤 교수는 “이번 연구는 액정 분자 배열을 제어해 리튬이온의 이동 경로를 효율적으로 설계하고 이를 통해 배터리의 성능과 안정성을 향상시킬 수 있음을 보여준 사례”라고 말했다.
 &lt;참고 자료&gt; doi: 10.1021/acsnano.6c09591  
 [김소연 기자 lecia@donga.com]
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