고체 전해질 없이 기존 액체 전해질을 얼리는 방법만으로 리튬금속배터리를 구동할 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 전해질이 얼면 배터리 충방전이 불가능하다는 통념을 뒤집는 발견이다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 송현곤 교수와 KAIST 신소재공학과 서동화 교수팀은 상용 전해질의 유기용매인 에틸렌 카보네이트로 얼음 전해질을 만들고, 이 전해질에서 리튬 이온의 전달 원리를 규명했다고 밝혔다.

에틸렌 카보네이트는 어는점이 37℃로 상온에서는 굳어 있는 얼음 상태다. 연구팀은 리튬염만을 소량 첨가해 얼음 상태를 유지하도록 설계했다.

실험 결과, 이 얼음 전해질의 이온 전도도는 약 0.64 mS/㎝, 리튬 이온 전달수는 0.8로 별도 개발된 고체 전해질과 유사한 수치를 기록했다. 리튬금속배터리에 적용했을 때는 상온에서 400회 이상 충·방전을 반복해도 내부 단락 없이 안정적으로 작동했다.

연구팀은 얼음 전해질의 작동 원리도 밝혀냈다. 얼음 전해질에서는 용매 분자가 고정된 채 리튬 양이온만 이웃한 용매 분자의 산소 원자를 징검다리 삼아 건너뛰는 호핑(hopping) 방식으로 이동한다. 또 얼음 속에서 음이온의 움직임이 억제돼 부반응이 감소하고, 얼음이 물리적으로 수지상을 눌러 배터리 단락을 막는다.

리튬금속배터리는 상용 배터리보다 최대 50% 더 많은 전기를 저장할 수 있는 차세대 배터리지만, 리튬금속과 액체 전해질 간 높은 반응성 때문에 별도의 고체 전해질 개발이 상용화의 필수 과제로 여겨져 왔다.

송현곤 교수는 "용매 분자들끼리 살짝 엉겨 붙은 얼음 같은 구조에서도 이온이 충분히 잘 이동할 수 있다는 사실을 보여줬다"며 "상용화가 가능한 온도에서 작동할 수 있는 녹는점이 더 높은 유기 용매 조합을 개발 중"이라고 말했다.

이번 연구는 삼성미래기술육성재단과 UNIST 하이드로 스튜디오(Hydro*Studio)의 이노코어(InnoCore) 프로그램의 지원을 받았다. 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 1월 21일 자로 온라인 게재됐다.