배터리 급속 충전의 속도와 수명을 동시에 잡으려면 소재만 바꾸는 것으로 충분하지 않을 수 있습니다. KAIST 연구진은 배터리 내부에서 리튬이온이 이동하는 길 자체를 정돈하는 방식으로 이 문제에 접근했습니다. 그 결과 이론상 약 15분 만에 충전할 수 있는 4C 조건에서 충전과 방전을 100회 반복한 뒤에도 초기 용량의 94%를 유지하는 분리막 기술을 확인했습니다.
핵심은 액정 고분자의 분자 배열입니다. 연구팀은 리튬이온이 구불구불한 골목길을 지나듯 이동하는 대신 전극을 향해 곧고 고르게 이동하도록 통로를 설계했습니다. 배터리 내부의 아주 작은 구조를 도로망처럼 재설계해 급속 충전 과정에서 발생하는 불균일한 리튬 쌓임을 줄였다는 점이 이번 연구의 중요한 의미입니다.
💎 급속 충전을 막는 덴드라이트
리튬 금속 배터리는 기존 리튬이온 배터리보다 더 많은 에너지를 담을 수 있는 차세대 배터리입니다. 음극에 리튬 금속을 사용하기 때문입니다. 다만 충전 과정에서 리튬이 한곳에 집중되면 뾰족한 나뭇가지 모양의 덴드라이트(Dendrite)가 자라기 쉽습니다.
덴드라이트는 배터리 수명을 줄이는 데 그치지 않습니다. 양극과 음극의 직접 접촉을 막는 분리막을 손상시킬 수 있고, 이 경우 내부 합선과 화재 위험으로 이어질 수 있습니다. 특히 빠른 충전은 짧은 시간에 많은 리튬이온을 이동시키기 때문에 이와 같은 불균일한 쌓임을 키우는 요인이 될 수 있습니다.
💎 분자 배열이 만든 이온 통로
윤동기 교수와 변혜령 교수 공동 연구팀은 나노미터(nm) 크기의 미세한 구멍이 있는 액정 고분자 분리막을 제작했습니다. 여기에 리튬이온의 이동을 돕는 폴리에틸렌글리콜(PEG·Polyethylene Glycol) 사슬을 도입한 뒤, 분자 배열을 수직 또는 수평 방향으로 조절해 이동 특성을 비교했습니다.
액정(Liquid Crystal)은 고체처럼 규칙적인 분자 배열을 가지면서도 액체처럼 흐르는 성질을 지닌 소재입니다. 표면 처리 등에 따라 분자 배열 방향을 바꿀 수 있다는 특징이 있습니다. 연구팀이 분자를 수직으로 정렬한 분리막에서는 리튬이온이 전극 방향으로 더 곧게 이동하는 통로가 형성됐습니다.
수평 배열 분리막과 비교했을 때 이온 이동 경로의 굴곡도는 약 2.5배 낮아졌습니다. 길이 덜 휘어지면 이온이 특정 지점에 몰릴 가능성도 줄어듭니다. 연구 결과에서는 리튬이온이 더 빠르고 균일하게 이동했고, 덴드라이트 형성도 효과적으로 억제됐습니다.
💎 4C 조건에서 확인한 내구성
연구팀은 개발한 분리막을 리튬 금속 배터리에 적용해 급속 충전 성능을 시험했습니다. 4C는 이론상 약 15분 만에 충전할 수 있는 빠른 충전 조건이며, 해당 조건에서 충전과 방전을 100회 반복한 뒤에도 배터리는 초기 용량의 94%를 유지했습니다.
다만 4C라는 수치가 모든 배터리에서 실제 완전 충전 시간으로 그대로 이어지는 것은 아닙니다. 실제 충전 시간은 배터리 특성과 충전 방식 등에 따라 달라집니다. 따라서 이번 결과는 상용 전기차의 충전 시간을 바로 확정한 성과라기보다, 급속 충전에서 성능 저하를 줄일 수 있는 분리막 설계 원리를 검증했다는 데 의미가 있습니다.
💎 배터리 산업에 던지는 과제
이번 연구는 배터리 소재의 화학적 조성뿐 아니라 분자들이 어느 방향으로 배열되는지도 성능을 좌우할 수 있음을 보여줬습니다. 같은 재료를 사용하더라도 이온이 지나가는 경로를 정돈하면 충전 속도와 안정성을 함께 개선할 여지가 있다는 뜻입니다. 이는 고에너지 밀도 배터리의 설계가 ‘무엇을 넣을 것인가’에서 ‘어떻게 배치할 것인가’로 확장되고 있음을 보여주는 사례입니다.
상용화 과정에서는 분리막 제조의 균일성, 대면적 생산, 반복 충·방전 조건에서의 장기 안정성, 기존 배터리 공정과의 호환성 등을 추가로 확인해야 합니다. 실험실에서 우수한 성능을 보인 소재가 실제 제품에 적용되려면 비용과 생산 속도, 안전성 검증이라는 여러 관문을 통과해야 합니다.
윤동기 교수는 “이번 연구는 액정 고분자의 분자 배열을 제어해 리튬이온의 이동 경로를 효율적으로 설계하고, 이를 통해 배터리의 성능과 안정성을 향상시킬 수 있음을 보여준 사례”라며, “향후 긴 주행거리와 빠른 급속 충전이 필수적인 고에너지 밀도 차세대 배터리 기술 개발에 기여할 것으로 기대한다”라고 말했습니다.
연구 결과는 ‘Directional Li+ Flux Control via Liquid-Crystalline Polymer Separators for Fast-Charging Lithium Metal Batteries’라는 논문으로 국제 학술지 ‘ACS Nano’에 2026년 9월 게재됐습니다. 이번 연구에는 KAIST 이근중 박사과정과 최락현 박사가 공동 제1저자로, 변혜령 교수와 윤동기 교수가 공동 교신저자로 참여했습니다. 과학기술정보통신부·한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 GIST 이노코어(InnoCORE) 프로그램의 지원을 받아 수행됐습니다.
이번 기술의 진짜 가치는 충전 시간을 줄이는 데만 있지 않습니다. 리튬이온의 이동 경로를 제어해 안전성과 수명까지 함께 다룰 수 있다는 점이 핵심입니다. 앞으로 이 ‘분자 수준의 도로 설계’가 전기차와 전자기기의 실제 배터리 생산 현장에서도 재현될 수 있을지가 상용화의 기준이 될 것입니다.
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