사진. 포스텍

포항공과대학교(이하 포스텍) 박문정 교수 연구팀이 이러한 미래를 실현할 혁신적인 연구 성과를 발표해 학계와 사회의 주목을 받고 있다. 특히, 이번 연구는 지난해 ‘Science(사이언스)’에 연구팀이 보고한 ‘배관공의 악몽(plumber’s nightmare)’ 구조로 리튬 이온 배터리 성능을 극대화할 방법을 제시한 연구라 더욱 의미가 깊다.

리튬 이온 배터리는 스마트폰을 비롯한 다양한 현대 기술에서 사용되고 있다. 전해질은 배터리의 핵심 부품 중 하나지만 액체 상태의 기존 전해질은 누액이나 폭발의 위험성이 있다. 고체 전해질이 그 대안으로 떠오르고 있으나 전해질의 ‘기계적 강도’와 ‘이온 전도도’ 간 균형을 맞추는 데 한계가 있었다.

포스텍 화학과 박문정 교수, 김지훈 박사, 이호준 박사과정 연구팀은 이온 전도도를 높이기 위해 수 몰(M)농도 이상의 리튬염을 사용하던 기존의 전해질 제작 방식과 달리 리튬염을 10분의 1 이하 수준으로 극소량만 추가해 배터리의 이온 전도도와 기계적 물성을 동시에 크게 향상하는 혁신적인 방법을 제시했다.

이러한 접근의 핵심은 PS-b-PEO 블록 공중합체에 아주 적은 양의 리튬염을 추가해 PEO 사슬 말단 하이드록시 그룹(-OH)에 선택적으로 위치하게 한 것으로 연구팀은 이를 통해 기존 고분자 전해질 시스템에서는 관찰된 적 없었던 정교한 ‘배관공의 악몽’ 구조를 형성하는 데 성공했다.

‘배관공의 악몽’ 구조는 마치 배관의 출구들이 내부로 모여 있는 것처럼 고분자 사슬 모든 말단이 안쪽으로 얽혀 있는 형태를 말한다. 이 구조는 고분자 사슬이 형성한 여섯 개 채널이 서로 모두 연결되어 있으며, 리튬 이온이 고분자의 채널 중심부에 있는 하이드록시 그룹에 국부적으로 존재하게 되면서 안정적인 이온 통로를 제공한다. 그 결과, 전해질의 단단하고 견고한 구조를 유지하면서 이온이 빠르고 효율적으로 이동할 수 있는 환경을 만들어냈다.

실험 결과, ‘배관공의 악몽’ 구조로 인해 이온의 이동 경로와 고분자 배열 구조 사이의 상호작용이 극대화되어 기존 층상 구조보다 이온 전도 효율이 60배 이상 향상됐다. 리튬 이온이 독립적인 경로를 따라 이동하게 됨으로써 고분자 사슬의 느린 움직임에 영향을 받지 않기 때문이다. 또한, 그로 인해 이온이 이동하기 위해 넘어야 하는 ‘에너지 장벽’이 열 배 이상 감소해 기존 무기물 전해질의 에너지 장벽 수준과 유사해졌다. 기계적 강도와 이온 전도도 간 상충 문제를 해결하면서 저온에서도 안정적인 이온 전도성을 유지할 수 있게 된 것이다.

박문정 교수는 “블록 공중합체를 활용해 리튬 이온을 고분자 말단 특정 위치로 집중시키는 방식으로 고효율 이온 전도 메커니즘을 정립했다”라며, “이번 연구가 차세대 전고체 배터리 개발에 전환점이 되기를 바란다”라고 말했다.

한편, 이번 연구는 미국 화학회(ACS)가 발행하는 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 온라인판에 게재됐으며, 과학기술정보통신부 중견연구사업과 SRC 집단연구지원 사업, 나노소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.