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[IT뉴스]300회 이상 충·방전에도 95% 효율 유지…리튬메탈전지 상용화 ‘성큼’

온카뱅크관리자

2025-11-04 13:37:28

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> KAIST, 상온서 작동하는 유기 고체 전해질 필름 개발 리튬이온 속도 100배 향상, 에너지 손실도 거의 없어 
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 <img alt="KAIST가 개발한 리튬메탈전지용 유기 고체 전해질 필름 모식도. KAIST 제공." class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202511/04/dt/20251104132826504dzzb.jpg" data-org-width="640" dmcf-mid="Q1EyHJ0Hle" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202511/04/dt/20251104132826504dzzb.jpg" width="658">
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 KAIST가 개발한 리튬메탈전지용 유기 고체 전해질 필름 모식도. KAIST 제공.
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 리튬이온전지를 대체할 리튬메탈전지의 리튬 이동성을 100배 이상 높일 수 있는 고체 전해질이 개발됐다.
 KAIST는 변혜령 화학과 교수 연구팀은 손창윤 서울대 교수팀과 공동으로 상온에서 안정적으로 작동하는 리튬메탈전지 용 유기 고체 전해질 필름을 개발했다고 4일 밝혔다.
 리튬메탈전지는 흑연 음극을 리튬메탈로 대체해 기존 리튬이온전지보다 음극재 무게와 부피를 크게 줄여 에너지 밀도와 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있는 차세대 고에너지 전지로 주목받고 있다.
 하지만 불이 붙기 쉬운 액체 전해질을 사용해 화재 위험성이 높아 상용화가 어려웠다. 이를 해결하는 대안으로 유연성을 가진 유기 고체 전해질에 대한 연구가 진행되고 있지만 상온에서 리튬 이온의 전달 속도가 느린 문제가 있다.
 연구팀은 구멍이 일정하게 배열된 다공성 구조의 ‘공유결합유기골격구조체’(COF) 신소재를 이용해 머리카락 굵기 5분의 1 정도 되는 20마이크로미터(㎛) 두께의 고체 전해질을 제작했다.
 COF 전해질은 올해 노벨화학상을 수상한 금속유기골격체(MOF)와 유사한 다공성 결정성 구조를 가지지만, 전지 구동 환경에서 화학적 안정성이 더욱 뛰어나다.
 연구팀은 리튬 이온을 전달하는 기능기를 일정한 간격으로 정교하게 배치해 높은 온도에서만 이동하던 리튬 이온을 상온에서도 기능기를 따라 빠르게 이동할 수 있도록 설계했다.
 또 리튬 이온이 가장 짧은 직선 경로를 따라 빠르게 이동할 수 있는 통로를 만들어 리튬 이온이 쉽게 떨어져 나오고 이동할 수 있도록 고체 전해질 구조를 구현했다.
 연구팀은 이런 고체 전해질 구조가 리튬 이온이 움직이기 위해 필요한 에너지를 낮춰 적은 에너지로도 빠르게 이동할 수 있는 것을 분자동역학 시뮬레이션을 통해 확인했다.
 특히 유기 고체 전해질 필름은 자기조립 방식으로 만들어져 리튬 금속 전극에 빈틈없이 잘 달라 붙어 이온이 전극 사이를 오갈때 더 안정적으로 이동할 수 있다.
 연구팀이 개발한 전해질은 기존 유기계 고체 전해질보다 리튬 이온 이동 속도가 적게는 10배에서 최대 100배 이상 빨랐다. 이를 리튬메탈 기반 리튬인산철 전지에 적용한 결과, 300차례 이상 충·방전을 반복한 후에도 초기 용량의 95% 이상을 유지했다.
 충전한 전지를 방전시킨 후 다시 충전했을 때 얼마나 충전되는지를 보여주는 쿨롱 효율도 99.9%로 에너지 손실이 거의 없었다.
 변혜령 KAIST 교수는 “상온에서도 빠른 리튬 이온 이동이 가능한 유기 고체전해질을 구현해 리튬메탈전지의 상용화에 한 걸음 다가서게 됐다”며 “무기 고체전해질과 하이브리드 형태로 결합할 경우 계면 안정성 문제를 개선할 수 있을 것”이라고 말했다.
 이 연구결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스’ 지난달 5일자에 실렸다.
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 <img alt="변혜령(왼쪽부터) KAIST 화학과 교수, 최락현 KAIST 석박통합과정, 손창윤 서울대 교수. KAIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202511/04/dt/20251104132827778ghak.jpg" data-org-width="640" dmcf-mid="xBI53NB3SR" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202511/04/dt/20251104132827778ghak.jpg" width="658">
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 변혜령(왼쪽부터) KAIST 화학과 교수, 최락현 KAIST 석박통합과정, 손창윤 서울대 교수. KAIST 제공
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 이준기 기자 bongchu@dt.co.kr
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