– 리튬 이온 이동성 100배 향상 ··· 화재 위험·부피·무게 모두 개선


국내 연구진이 리튬메탈전지의 실용화를 가로막던 ‘상온에서의 낮은 이온 이동성’ 한계를 극복하며 리튬메탈전지 상용화에 성큼 다가가게 됐다. KAIST와 서울대학교 공동 연구팀이 상온(25 ℃)에서도 빠른 리튬 이온 이동이 가능한 초박막 유기 고체 전해질을 개발한 것이다. 이번 성과로 리튬메탈전지의 화재 위험, 부피, 무게 문제를 동시에 해결할 수 있는 길이 열릴 전망이다.

 
KAIST(총장 이광형)는 4일 화학과 변혜령 교수 연구팀이 서울대 손창윤 교수팀과 함께 상온에서 안정적으로 작동하는 유기 고체 전해질 필름을 개발했다고 밝혔다. 이 전해질은 구멍이 일정하게 배열된 다공성 구조의 공유결합유기골격구조체(COF, Covalent Organic Framework) 소재를 기반으로 제작됐으며, 두께는 머리카락의 약 1/5 수준인 20 μm에 불과하다.
 
COF 전해질은 2025년 노벨화학상 수상 소재인 금속유기골격체(MOF)와 유사한 구조를 가지면서도, 전지 구동 환경에서 훨씬 높은 화학적 안정성을 확보했다. 연구팀은 리튬 이온을 전달하는 기능기를 일정한 간격으로 배치해, 기존에는 고온에서만 이동하던 리튬 이온이 실온에서도 기능기를 따라 빠르게 이동하도록 설계했다. 이를 통해 리튬 이온의 이동 경로를 분자 수준에서 정밀하게 제어할 수 있었다.

특히 나노 기공 내부에 ‘이중 설폰산화 기능기’를 도입해 리튬 이온이 가장 짧은 직선 경로로 이동하도록 만들었다. 분자동역학 시뮬레이션 결과, 이 구조는 리튬 이온의 이동에 필요한 에너지를 낮춰 상온에서도 안정적으로 작동함을 확인했다.
 
이번 전해질 필름은 자가조립(Self-assembly) 방식으로 제작돼 표면이 매끄럽고 균일하다. 이 덕분에 리튬 금속 전극과 밀착력이 뛰어나며, 이온 이동 과정에서 계면 안정성을 크게 높였다.

실험 결과, 개발된 전해질은 기존 유기계 고체 전해질보다 리튬 이온 이동 속도가 10~100배 이상 빨랐다. 이를 리튬메탈 기반 리튬인산철(LiFePO₄) 전지에 적용한 결과, 300회 이상 충·방전 후에도 초기 용량의 95% 이상을 유지했으며, 에너지 손실이 거의 없는 쿨롱 효율 99.999%를 달성했다.

변혜령 교수는 “이번 연구는 실온에서도 빠른 리튬 이온 이동이 가능한 유기 고체 전해질을 구현해 리튬메탈전지의 상용화에 한 걸음을 앞당긴 성과”라며 “무기 고체 전해질과 하이브리드 형태로 결합할 경우 계면 안정성 문제를 개선할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구의 제1저자는 KAIST 화학과 최락현 대학원생이며, 연구 결과는 국제학술지 Advanced Energy Materials(2025년 10월 5일자)에 게재됐다. (논문명: Room-Temperature Single Li? Ion Conducting Organic Solid-State Electrolyte with 10?⁴ S cm?¹ Conductivity for Lithium Metal Batteries, DOI: 10.1002/aenm.202504143)

이 연구는 LG에너지솔루션, KAIST Frontier Research Laboratory(FRL), 한국연구재단(NRF)의 지원으로 수행됐다.