배터리의 충전 속도와 수명을 동시에 잡을 수 있을까요? KAIST 연구진이 리튬이온이 지나가는 길 자체를 다시 설계해 이 질문에 답을 내놓았습니다. 핵심은 새로운 전극 소재를 추가하는 데 있지 않고, 배터리 내부 분리막의 분자 배열을 정돈하는 데 있습니다.
KAIST 화학과 윤동기·변혜령 교수 공동 연구팀은 액정 고분자의 분자 배열을 활용해 리튬이온 이동 경로를 제어하는 차세대 배터리 분리막을 개발했다고 9일 밝혔습니다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘ACS Nano’에 2026년 9월 게재됐습니다. 이번 성과는 급속 충전과 안전성, 수명이라는 서로 얽힌 문제를 내부 구조 설계로 풀었다는 점에서 의미가 있습니다.
💎 리튬 금속 배터리의 약점은 ‘길’에 있습니다
리튬 금속 배터리는 기존 리튬이온 배터리보다 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 기술입니다. 에너지 밀도가 높아지면 같은 무게와 부피에서 더 많은 에너지를 저장할 수 있지만, 충전 과정에서 리튬이 특정 지점에 집중적으로 쌓이는 문제가 발생합니다.
이때 생기는 나뭇가지 형태의 리튬 덴드라이트는 분리막을 뚫고 내부 단락이나 화재를 일으킬 수 있으며, 배터리 수명도 줄일 수 있습니다. 연구팀은 리튬이온 이동 경로가 복잡할수록 이온이 특정 영역에 몰릴 가능성이 커진다는 점에 주목했습니다. 마치 차량이 좁고 구불구불한 도로에 몰리면 정체가 생기는 것처럼, 배터리 내부에서도 이동 경로의 구조가 성능과 안전을 좌우한다는 접근입니다.
💎 수직 배열로 이온 통로를 곧게
연구팀은 나노미터 단위의 미세 기공을 가진 고분자 분리막에 리튬이온 이동을 지원하는 폴리에틸렌글리콜(PEG) 사슬을 결합했습니다. 이후 액정 고분자의 분자를 수직과 수평 방향으로 각각 배열해 성능을 비교했습니다.
실험에서 수직 방향으로 정렬된 분리막은 리튬이온이 전극을 향해 직선에 가까운 경로로 이동하도록 만들었습니다. 수평 배열 분리막과 비교하면 이온 이동 경로의 굴곡도가 약 2.5배 낮아졌습니다. 경로가 짧고 균일해지면서 리튬이 한곳에 집중되는 현상이 줄었고, 덴드라이트 성장도 효과적으로 억제됐습니다.
💎 4C 조건에서 용량 94% 유지
성능 검증도 진행됐습니다. 연구팀은 개발한 분리막을 리튬 금속 배터리에 적용한 뒤 4C 충·방전 조건에서 100회 반복 실험을 수행했습니다. 그 결과 초기 배터리 용량의 94%를 유지했습니다.
4C는 이론적으로 약 15분 만에 충전할 수 있는 수준의 속도입니다. 다만 실제 충전 시간은 배터리 설계와 충전 환경에 따라 달라질 수 있습니다. 따라서 이번 결과를 곧바로 상용 전기차의 충전 시간으로 환산하기보다는, 높은 충전 부하에서도 용량 유지와 덴드라이트 억제를 함께 확인했다는 실험적 성과로 해석하는 편이 정확합니다.
💎 소재 경쟁에서 구조 설계 경쟁으로
이번 연구의 중요한 변화는 배터리 성능 개선의 무대를 소재의 화학적 특성에서 내부 분자 구조로 넓혔다는 점입니다. 같은 분리막이라도 분자 배열 방향을 어떻게 설정하느냐에 따라 이온의 이동 효율과 균일성이 달라질 수 있다는 사실을 보여줬습니다.
윤동기 교수는 “액정 고분자의 분자 배열을 제어해 리튬이온의 이동 경로를 효율적으로 설계하고, 이를 통해 배터리의 성능과 안정성을 향상시킬 수 있음을 보여준 사례”라며 “긴 주행거리와 빠른 급속 충전이 요구되는 고에너지 밀도 차세대 배터리 기술 개발에 기여할 것”이라고 말했습니다.
다만 연구실 수준의 100회 반복 결과가 곧바로 대량 생산과 장기간 사용을 보장하는 것은 아닙니다. 실제 적용을 위해서는 분리막 제조 공정의 균일성, 대면적 생산성, 비용, 다양한 온도와 충전 환경에서의 안정성 검증이 추가로 필요합니다. 그럼에도 리튬 금속 배터리의 핵심 난제인 에너지 밀도와 안전성의 균형을 ‘이온의 통로’라는 구체적인 설계 변수로 풀었다는 점은 분명한 진전입니다.
💎 전기차와 ESS로 이어질 수 있을까
이 기술이 실제 배터리 시스템에 적용되면 전기차에서는 주행거리 확대와 충전 대기시간 단축을 동시에 노릴 수 있습니다. 장시간 사용이 필요한 모바일 기기와 에너지저장장치(ESS)에도 확장 가능성이 있습니다. 다만 상용화의 관건은 분자 배열 제어 기술을 실험실의 정밀함에서 산업 현장의 생산 속도와 비용 구조로 옮기는 일입니다.
배터리 경쟁의 다음 단계는 더 강한 소재를 찾는 데만 있지 않을 수 있습니다. 리튬이 어디로, 얼마나 고르게 이동하는지를 설계하는 기술이 차세대 배터리의 성패를 가르는 새로운 기준이 될지 지켜볼 필요가 있습니다.
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