포스텍, 고효율 초이온 전도성 고분자 전해질 개발

초이온 전도성 특성을 갖는 술폰산기가 정밀 제어된 고분자 소재 모식도. (자료제공: 포스텍)

포스텍(POSTECH, 총장 김성근)은 박문정 화학과 교수 연구팀이 배터리의 오랜 딜레마를 해결할 고분자 전해질 소재를 개발했다고 4월 29일 밝혔다.

배터리는 양극과 음극 사이를 오가는 이온들의 흐름으로 전기를 만든다. 이때 이온의 지나갈 수 있도록 이동 통로 역할을 하는 것이 바로 전해질이다. 그런데, 현재 주로 쓰이는 액체 전해질은 누출과 화재의 위험이 있어 안전성 논란이 꾸준히 제기되어 왔고, 고체 고분자 전해질이 차세대 대안으로 떠오르고 있다.

하지만, 여기에는 한 가지 기술적 딜레마가 있다. 쉽게 말해, '젤리'처럼 부드러운 전해질은 이온이 빠르게 흐르지만 쉽게 찢어지고, 반대로 '플라스틱'처럼 단단한 전해질은 튼튼하지만, 이온 이동이 느리다. 이처럼 이온 전도성과 기계적 강도를 동시에 확보하는 것이 고체 고분자 전해질 연구의 난제로 꼽혀왔다.

연구팀은 이 딜레마를 분자 수준의 정밀한 설계를 통해 풀어냈다. 연구팀은 '폴리스티렌'에 이온의 이동을 돕는 '술폰산기'를 정확히 두 개씩 정해진 위치에 배치한 새로운 고분자 전해질(PSdi34S)을 개발했다. 술폰산기를 포함한 고분자 전해질은 기존에 존재했지만 합성 과정에서 구조를 제어하기 어렵다는 문제가 있었는데, 연구팀이 고분자 매 반복단위 마다 수소결합형성을 유도, 이온이 균일하게 근거리에서 전도될 수 있도록 설계하는 데 성공한 것이다.

여기에 이온성 액체를 더하자 이온과 고분자가 서로 간섭하지 않고, 독립적으로 움직이기 시작했다. 고체 상태에서도 액체 상태처럼 이온이 빠르게 이동하는 '초이온 전도성' 특성이 구현된 것이다. 이는 고체 고분자 전해질의 한계를 뛰어넘어 상용과 가능성을 크게 넓힌 중요한 성과다.

이 소재를 리튬-황 배터리의 전해질과 바인더(전극을 붙이는 접착제)에 적용한 결과, 기존보다 우수한 성능을 확인할 수 있었다. 고체 상태에서 높은 안정성을 유지하면서도, 액체 전해질에 견줄 만큼 뛰어난 이온 이동성을 확보한 것이다. 성능과 안정성이라는 상반된 요소를 동시에 만족시킨 이번 연구는 전기차와 에너지저장장치 등 다양한 분야에서 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

박문정 교수는 “이번 연구는 초이온 전도성 고분자 소재 개발에 있어 새로운 전략적 방향을 제시했다”며 “차세대 배터리는 물론 에너지 저장 시스템 전반에 걸쳐 소재 설계의 새로운 이정표가 될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 중견연구자지원사업, 선도연구센터, 나노및소재기술개발사업, H2NEXTROUND사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 재료과학 국제 저널인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 최근 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]