리튬-산소 전지 성능·안정성 동시에 끌어올리는 고체 전해질 개발

△ 폴리로탁산 분자의 정렬성을 활용한 고이온전도성 리튬-산소 전지 전해질 모식도

고려대 신소재공학부 서지훈 교수와 배터리-스마트팩토리학과(건축사회환경공학부) 김동완 교수 연구팀이 차세대 리튬-산소 전지의 안정성과 수명을 동시에 높일 수 있는 새로운 고체 전해질을 개발했다.

본 연구 성과는 나노 기술 및 재료 분야의 국제적인 학술지 ‘Nano-Micro Letters(IF=36.3, JCR 상위 1%)’에 게재되어, 곧 정식 출판될 예정이다.

*논문명: Aligned Ion Conduction Pathway of Polyrotaxane Based Electrolyte with Dispersed Hydrophobic Chains for Solid State Lithium Oxygen Batteries

*DOI: 10.1007/s40820-024-01535-w

*URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-024-01535-w

리튬-산소 전지는 공기 중 산소를 이용해 전기를 저장하는 차세대 전지로 큰 에너지를 담을 수 있다. 하지만 기존에 사용되던 액체 전해질은 증발 및 화재 위험이 있고, 리튬 금속이 나뭇가지처럼 자라는 덴드라이트 문제가 있어 상용화가 어려웠다.

연구팀은 이 한계를 극복하기 위해 고분자 사슬에 고리 모양 분자인 알파 사이클로덱스트린(α-Cyclodextrin, 이하 α-CD)을 꿰어 넣은 ‘폴리로탁산’ 구조를 전해질에 적용했다. 이 구조에서는 고리 분자들이 고분자를 따라 규칙적으로 정렬되며, 물과 잘 섞이지 않는 성질을 가진 소수성 사슬이 전해질 전체 구조에 고르게 분포해 안정적인 골격을 이룬다.

이러한 배열 덕분에 리튬 이온은 고리 분자 사이를 징검다리처럼 이동할 수 있는 정돈된 통로를 확보했다. 이 과정에서 고분자가 쉽게 굳지 않아 이온이 안정적으로 이동했으며, 실험 결과, 개발된 고체 전해질을 적용한 리튬-산소 전지는 상온에서 300회 이상 반복 충·방전해도 안정적으로 작동했다.

연구팀은 “폴리로탁산이라는 기계적으로 얽힌 고분자 구조를 전해질 설계에 도입해, 고체 리튬-산소 전지의 성능과 안정성을 함께 끌어올린 최초의 사례”라며 “향후 다양한 차세대 에너지저장장치의 고체 전해질 플랫폼으로 확장될 수 있을 것”이라고 말했다.

본 연구는 한국연구재단의 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

△ (왼쪽부터) 시카고대 김빛가람 박사(제1저자), 일리노이공과대 성명창 박사(제1저자), 고려대 신소재공학부 서지훈 교수(교신저자), 배터리-스마트팩토리학과(건축사회환경공학부) 김동완 교수(교신저자)

출처: 고대뉴스 - 리튬-산소 전지 성능·안정성 동시에 끌어올리는 고체 전해질 개발