인더뉴스 제해영 기자ㅣ국립부경대학교는 31일 조계용 교수 연구팀이 고에너지 리튬 배터리의 안정성과 수명을 높일 수 있는 능동형 분리막 기술을 개발했다고 밝혔습니다.
이번 연구는 리튬 기반 배터리에서 발생하는 이온 이동 불균형과 전해질 분해 반응으로 인한 성능 저하와 안전성 문제를 해결하기 위한 것으로, 특히 분리막 단계에서 이러한 문제를 제어하는 데 초점을 맞췄습니다.
리튬 기반 배터리는 전기차와 에너지저장장치 등 차세대 에너지 기술의 핵심으로 주목받고 있지만, 충·방전을 반복하는 과정에서 리튬 이온 농도구배와 전극 열화 현상이 발생해 성능 저하가 이어지는 한계가 있었습니다.
또한 전해질 염 LiPF6 분해 과정에서 생성되는 불화수소와 같은 부산물이 배터리 내부 계면을 지속적으로 열화시키는 문제도 지적돼 왔습니다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 전해질 음이온 PF6-의 수송 거동을 제어할 수 있는 능동형 분리막 구조를 설계했습니다. 해당 분리막은 전기음성도가 높은 불소계 고분자 소재를 기반으로 양이온성 아민 기능기를 결합해 음이온의 이동 특성을 정전기적으로 조절하는 방식으로 작동합니다.
이를 통해 PF6-의 전기적 상태를 제어하고 강한 산성을 띠는 PF5 생성 유도를 억제함으로써 전해질 분해 반응을 줄이고 배터리 내부 부반응을 효과적으로 감소시키는 기능을 수행합니다.
연구 결과 이 분리막은 기존 상용 폴리프로필렌 분리막 대비 리튬 이온 전달 수는 약 두 배, 확산 계수는 약 세 배 향상된 것으로 나타났습니다. 또한 전극과 전해질 사이 계면이 장기 사이클 이후에도 얇고 균일한 구조로 안정적으로 유지되는 것이 확인됐습니다.
이러한 성능 향상은 고온과 고전압 조건뿐 아니라 다양한 양극재 환경에서도 장기 충·방전 시 안정적인 작동을 가능하게 했습니다. 고속 충·방전 환경에서도 안정성을 유지했으며 리튬 금속 음극을 사용하는 대칭 셀 실험에서도 장시간 안정적인 작동과 균일한 리튬 플레이팅 형성이 확인됐습니다.
논문 제1저자인 박장우 연구원은 “분리막이 물리적 장벽을 넘어 배터리 내부 이온 환경을 능동적으로 제어할 수 있음을 보여준 연구”라며 “전극과 전해질 중심의 기존 접근에서 벗어나 분리막에서도 음이온 거동을 조절해 부반응을 줄이고 이온 이동을 효율화하는 새로운 설계 전략을 제시했다”고 설명했습니다.
이번 연구는 산업통상자원부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며 연구 성과는 국제학술지 Advanced Functional Materials에 2026년 3월 온라인 게재됐습니다.
