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동국대 화공생물공학과 김성곤/이용혁 교수팀이 리튬금속전지의 수명과 성능을 동시에 끌어올리는 준고체 고분자 전해질을 개발하고, 성능이 좋아진 원인을 머신러닝 기반 분자 모델링으로 규명했다. 연구팀은 독일 막스플랑크 프리츠하버연구소와 공동연구를 통해 양쪽성이온(zwitterion)을 도입한 열가소성 폴리우레탄(TPU) 기반 준고체 고분자 전해질을 만들었다. 연구 결과는 2일 에너지/재료 분야 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’(피인용지수 25.5, JCR 상위 2.4%)에 온라인으로 실렸다.

리튬금속전지는 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 높은 반면, 충/방전 과정에서 리튬이 나뭇가지 모양으로 자라는 덴드라이트 현상 탓에 단락과 열폭주 위험이 크다. 대안으로 꼽히는 준고체(젤) 전해질 역시 전체 전류 중 리튬 이온이 실어 나르는 비율인 리튬 이온 전달수가 낮다는 약점이 있었다.

연구팀은 탄성이 우수한 TPU 사슬에 양쪽성이온을 붙여 리튬염의 이온쌍 분리를 이끌고 리튬 이온의 전류 전달 비중을 키우는 데 주목했다. 양쪽성이온은 한 분자 안에 음전하와 양전하를 모두 갖고 있어, 음전하를 띤 인산기는 리튬 이온과 상호작용하며 이를 선택적으로 이동시키고 양전하를 띤 암모늄기는 리튬염 음이온을 붙잡아 둔다. 실험 결과 이온전도도는 액체 전해질 수준을 유지하면서도 리튬 이온 전달수는 0.72를 기록해 비교 액체 전해질(0.36)의 2배에 달했다.

이용혁 교수팀은 양자역학 계산 데이터로 학습한 머신러닝 모델을 활용해 고분자와 리튬염 간 상호작용을 분석했다. 그 결과 고분자가 리튬 이온과 음이온이 떨어진 구조를 안정화한다는 점을 확인했다. 단순화한 분자 모델에서 이온쌍 분리에 필요한 에너지 차이는 고분자가 없을 때 3.63eV였지만, 양쪽성이온 올리고머를 넣자 0.29eV로 낮아졌다.

이 전해질을 적용한 리튬 대칭 전지는 1000시간 이상 안정적으로 작동해 약 800시간 만에 단락된 액체 전해질보다 오래 버텼다. 리튬인산철(LFP) 양극 전지는 300회 충/방전 뒤에도 초기 용량의 87%를 유지했고, 약 15분 만에 충/방전하는 4C 조건에서는 액체 전해질보다 약 1.5배 높은 용량을 냈다. 구부린 상태로도 작동하는 파우치형 전지와 유연 전지로의 적용 가능성도 확인했다.

김성곤 교수는 "고분자를 액체 전해질을 담는 그릇이 아닌 이온의 움직임을 조절하는 소재로 설계했다는 데 의미가 있다"며 "고에너지밀도 전지와 유연 전지 개발에 활용될 수 있을 것"이라고 말했다. 이용혁 교수는 "머신러닝 분자 모델링으로 고분자와 이온 간 상호작용을 분석해 실험에서 나타난 성능 향상을 설명하는 분자적 근거를 제시했다"고 덧붙였다.

이번 연구에는 김성곤/이용혁 교수가 교신저자, 나홍빈 박사과정생이 제1저자로 참여했다. 산업통상부 산업기술혁신사업(소재부품기술개발), 중소벤처기업부/중소기업기술정보진흥원(TIPA), 과학기술정보통신부/한국연구재단 '미래소재디스커버리 지원+(플러스)' 사업의 지원을 받았으며, 계산에는 한국과학기술정보연구원(KISTI) 국가슈퍼컴퓨팅센터의 초고성능컴퓨팅 자원을 활용했다.

왼쪽부터 동국대 김성곤 교수, 이용혁 교수, 나홍빈 박사과정

Copyright© 베리타스알파 김하연 기자