▲ 역오팔 분리막 제조 공정 및 구조 모식도.

국내 연구팀이 오팔 보석 구조에 착안한 분리막 원천기술을 개발해 전기자동차·스마트그리드용 중대형 전지의 성능·안전성 개선에 기여할 전망이다.

미래창조과학부가 국내 연구팀이 오팔 보석 구조에서 착안해 기존 리튬이차전지보다 성능과 안전성을 획기적으로 개선할 수 있는 분리막 소재 원천 기술을 개발했다고 지난 25일 밝혔다.

울산과학기술대학교 이상영 교수팀 주도의 이번 연구는 미래부 ‘기후변화대응기술개발사업’ 등에서 지원받았으며, LG화학 배터리연구소 김종훈 박사팀이 연구 파트너로 참여했다.

지금까지 분리막 소재로 폴리에틸렌 혹은 폴리프로필렌 등이 많이 쓰였으나, 낮은 기공도와 불균일한 기공 구조로 인해 전기자동차용 전지와 같은 차세대 전지에서 요구되는 고출력, 고속 충전 등의 특성을 확보하기에는 어려움이 있었다. 또한 전지 온도 상승시 폭발·발화 등의 위험도 존재했다.

연구팀은 기존 분리막 소재의 한계를 극복하기 위해 100 나노미터 크기의 실리카 나노입자를 가교반응이 가능한 아크릴 고분자와 혼합하고, 이를 폴리에스테르 다공성 지지체에 채워 넣은 후 자외선에 15초 노출시킴으로써 가교 고분자를 제조했다. 여기서 실리카 나노입자만을 선택적으로 제거하는 간단한 공정으로 역 오팔 나노 구조 분리막을 개발할 수 있었다.

개발된 역 오팔 분리막은 150℃ 고온에서도 전혀 열수축이 발생하지 않아 전지 폭발·발화 위험성을 크게 감소시켰을 뿐 아니라, 리튬이차전지에 적용한 결과 기존 전지 대비 출력 3배·충전속도 2배·수명연장 3배 이상 등 높은 성능 향상을 보였다. 게다가 우수한 친수성으로 인해 기존 전지에서 적용되기 어려웠던 극성 전해액 사용도 가능하게 됐다.

미래부 박재문 연구개발정책실장은 “이번 연구성과를 토대로 향후 상용화를 위한 대면적의 분리막 제조 및 검증 등의 과제가 남아있지만, 기존 소형 전지뿐 아니라 전기자동차 및 스마트그리드용 중대형 전지의 성능·안전성을 한차원 향상시킬 수 있는 신개념 분리막의 기술적 토대를 마련한 데에 큰 의의가 있다”고 밝혔다.

한편, 해당 연구 논문은 화학·재료과학 분야의 세계적인 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 온라인에 게재됐다.