▲ 사진줄처-미래창조과학부.

조과학부미래창조과학부는 국내 연구팀이 오팔(Opal) 보석 구조에서 착안해 기존 리튬이차전지보다 성능과 안전성을 획기적으로 개선할 수 있는 분리막 소재 원천 기술을 개발했다고 밝혔다.

울산과학기술대학교 이상영 교수팀이 주도하고, LG화학 배터리연구소 김종훈 박사팀이 참여한 연구팀은 미래창조과학부 ‘기후변화대응기술개발사업’ 등에서 지원받아 규칙적인 입자 배열을 특징으로 하는 오팔(opal) 보석 구조와 정반대 형태의 역 오팔(inverse opal) 구조를 갖는 신개념 분리막을 개발했다.

나노미터 크기의 기공(pore)들이 균일하게 분포된 다공성 구조의 특징으로 인해 리튬이온 전달 특성 및 내열성을 크게 향상시킬 수 있었다. 화학.재료과학분야 세계적인 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 온라인 논문 게재(논문명 : Inverse Opal-Inspired, Nanoscaffold Battery Separators: A New Membrane Opportunity for High-Performance Energy Storage Systems)

현재 모바일 전원 등으로 널리 쓰이는 리튬이차전지는 시트(sheet) 형태의 양극, 음극 및 전해액 이외에, 미세 기공을 가진 필름인 분리막(separator membranes)으로 구성된다. 이 분리막은 두 전극이 서로 닿지 못하도록 격리시키는 동시에 분리막 내부 다공 구조에 채워진 전해액을 통해 리튬이온이 양극-음극 사이를 이동해 충전과 방전을 가능하게 하는 중요한 역할을 한다.

지금까지 분리막 소재로 폴리에틸렌 혹은 폴리프로필렌 등이 많이 쓰였으나, 낮은 기공도와 불균일한 기공 구조로 인해 전기자동차용 전지와 같은 차세대 전지에서 요구되는 고출력, 고속 충전 등의 특성을 확보하기에는 어려움이 있었다. 또한 전지 온도 상승시 분리막 열 수축에 의해 양극과 음극이 맞닿게 돼 폭발이나 발화의 우려도 존재했다.

연구팀은 기존 분리막 소재의 한계를 극복키 위해 100 나노미터 크기의 실리카 나노입자를 가교반응이 가능한 아크릴 고분자와 혼합하고, 이를 폴리에스테르 다공성 지지체에 채워 넣은 후 자외선에 15초 노출시켜 가교 고분자를 제조했다. 여기서 실리카 나노입자만을 선택적으로 제거하는 간단한 공정으로 역 오팔 나노 구조 분리막을 개발할 수 있었다.

개발된 역 오팔 분리막은 150℃ 고온에서도 전혀 열수축이 발생하지 않아 전지 폭발 및 발화 위험성을 크게 감소시켰을 뿐 아니라, 리튬이차전지에 적용한 결과 기존 전지에 비해 3배 이상의 출력 특성, 2배 이상의 충전 속도 및 3배 이상의 수명 연장 등 높은 성능 향상을 보였다. 특히 우수한 친수성으로 인해 기존 전지에서는 적용되기 어려웠던 극성 전해액 사용도 가능했다.

미래부 박재문 연구개발정책실장은 “이번 연구성과를 토대로 향후 상용화를 위한 대면적의 분리막 제조 및 검증 등의 과제가 남아있지만, 기존 소형 전지뿐 아니라 전기자동차 및 스마트 그리드용 중대형 전지의 성능과 안전성을 한차원 향상시킬 수 있는 신개념 분리막의 기술적 토대를 마련한 데에 큰 의의가 있다”고 밝혔다.