리튬 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지는 충전해 재활용할 수 있는 2차 전지의 한 종류로 가장 가벼운 금속원소인 리튬으로 만들어 무게가 가볍고 에너지 밀도가 높아 휴대전화, 노트북, 디지털 카메라 등에 널리 사용되며 2차 전지 시장의 대부분을 차지해왔다. 하지만 리튬 이온 전지에 사용된 액체 전해질은 분리막에 의해 음극과 양극이 나뉘는 구조여서 변형이나 외부 충격으로 분리막이 훼손되면 액체 전해질이 흐르면서 과열이나 폭발사고로 이어지는 위험성이 존재했다.

이 같은 문제점을 극복하기 위해 음극과 양극의 접촉을 막을 수 있고, 훼손되더라도 형태가 유지돼 폭발 위험이 없는 고체 전해질로 액체 전해질을 대체하려는 연구가 활발하지만 고체 전해질의 이온 전도도가 낮은 특성으로 인해 기술적 한계에 직면해 있다.

연구팀은 ‘다공성 쿠커비투[6]릴(porous CB[6])이란 물질을 이용해 고체 성질의 새로운 리튬 전해질 물질을 합성하는 데 성공했다. 쿠커비투[6]릴에서 산과 물을 제거한 뒤 남은 공간에 기존에도 쓰이던 카보네이트 계열의 전해질 물질을 넣어 고체 성질의 리튬 전해질 물질을 만들어냈다. 이 물질은 높은 이온 전도도를 보이는 동시에 액체 전해질과 비교했을 때 1.5배 이상의 리튬 이온 전달률을 나타냈다. 또 고온에서도 성질 변화 없이 안정적인 이온 전도도를 유지했고, 액체 전해질의 특징에서 비롯됐던 과열이나 폭발 위험을 원천적으로 차단했다.

김기문 연구단장은 “고체 전해질 전지의 낮은 이온 전도도와 이온 이동도의 한계를 극복한 새로운 리튬 전도 물질을 개발한 데 의미가 있다”며 “앞으로 리튬 이온 전지 시장에 획기적인 변화를 가져올 기반 기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다. 이번 연구결과는 화학 분야 국제학술지인 케미컬 커뮤니케이션즈(Chemical Communications) 4월 29일자 온라인판에 게재됐다.

유주경 기자 willowind@ggilbo.com