[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 화학과 윤동기 교수와 변혜령 교수 공동 연구팀이 액정 고분자의 분자 배열을 제어해 리튬이온의 이동 경로를 정밀하게 조절하는 차세대 배터리 분리막 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.

연구팀이 개발한 분리막을 리튬 금속 배터리에 적용해 급속 충전 성능을 평가한 결과, 이론상 약 15분 만에 충전할 수 있는 조건(4C)에서 충전과 방전을 100회 반복한 뒤에도 초기 용량의 94%가 유지됐다. 평균 쿨롱 효율은 99.86%로 나타났다. 실제 완전 충전에 걸리는 시간은 배터리 특성과 충전 방식에 따라 달라질 수 있다.

리튬 금속 배터리는 리튬 금속을 음극으로 사용해 기존 리튬이온 배터리보다 많은 에너지를 저장할 수 있는 차세대 배터리로 꼽힌다. 다만 충전 과정에서 리튬이 한곳에 몰려 나뭇가지 모양으로 쌓이는 덴드라이트가 생기기 쉽다는 문제가 있다. 이렇게 자란 리튬은 배터리 수명을 줄이고, 양극과 음극을 분리하는 분리막을 손상시켜 내부 합선과 화재로 이어질 수 있다.

연구팀은 분자들이 일정한 방향으로 배열되는 액정 소재를 활용해 리튬이온이 이동하는 경로를 설계하는 방식에 주목했다. 이온이 이동하는 길이 구불구불하면 특정 부위로 몰리기 쉬운 만큼, 전극을 향해 곧고 고르게 이동하는 통로를 만들면 리튬이 고르지 않게 쌓이는 현상을 줄일 수 있다는 설명이다. 연구팀은 나노미터 크기의 미세한 구멍을 가진 액정 고분자 분리막을 제작하고, 리튬이온의 이동을 돕는 폴리에틸렌글리콜(PEG) 사슬을 넣은 뒤 분자의 배열 방향을 수직 또는 수평으로 조절해 이온 이동 특성을 비교했다.

그 결과 분자를 수직으로 배열한 분리막에서는 리튬이온이 전극 방향으로 곧게 이동하는 통로가 형성됐다. 수평으로 배열한 비교군보다 이온 이동 경로의 굴곡도는 약 2.5배 낮아졌으며, 리튬이온이 더 빠르고 균일하게 이동해 덴드라이트 형성이 억제되는 것으로 확인됐다. 이온전도도는 1.77mS/cm, 이온 이동 활성화에너지는 0.12eV로 측정됐다.

연구에는 KAIST 이근중 박사과정과 최락현 박사가 공동 제1저자로, 변혜령 교수와 윤동기 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 윤동기 교수는 "이번 연구는 액정 고분자의 분자 배열을 제어해 리튬이온의 이동 경로를 효율적으로 설계하고, 이를 통해 배터리의 성능과 안정성을 높일 수 있음을 보여준 사례"라고 말했다.

연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 광주과학기술원(GIST) 이노코어(InnoCORE) 프로그램의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제 학술지 ACS나노(ACS Nano)에 2026년 9월 게재됐다.

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