▲ 셀룰로오스 기반 화학적 기능성 분리막 제조 및 고온에서 베터리 성능 평가,개발된 분리막을 전지에 적용한 결과 고온에서 뛰어난 출력 및 충·방전 성능을 보였다. .

국내연구진이 불순물을 거르는 능력으로 리튱이온전지의 성능을 향상시키는 분리막을 개발했다. 기존에 양극과 음극사이에서 단순한 리튬이온의 이동통로에서 벗어나 고성능 리튬이온 전지 제조에 기여할 것으로 기대된다.

UNIST(총장 정무영)는 지난2일 자연과학부의 김병수 교수와 에너지 및 화학공학부의 이상영 교수 공통 연구팀은 나무에서 얻은 기능성 나노셀룰로오스로 불순물을 걸러내는 ‘화학적 기능성막’을 개발했다고 밝혔다.

분리막은 이차전지에서 양극과 음극 사이에 있는 소재로 일반적으로는 폴리올레핀 계열(Polyethlylene; PE, Polypropylene; PP 등)의 다공성막이 이용되고 있다. 하지만 폴리올레핀 계열 분리막은 불균일한 기공구조, 낮은 기공도, 낮은 열적 안정성의 문제가 있다.

이에 연구팀은 분리막을 작은 구멍을 가진 기능성 나노셀룰로오스에 큰 구멍을 가진 다공성 고분자 섬유를 붙여 구멍이 많고 균일한 구조인 2층 구조로 만들었다. 여기에 기능성 나노셀룰로오스가 화학반응에 참여해 전지 성능을 떨어뜨리는 불순물 제거에도 도움을 준다.

이번 연구에 제1저자로 참여한 구민수 UNIST 에너지 및 화학공학부 석·박사통합과정 연구원은 “전지 성능 저하를 가져오는 불산도 다공성 고분자 섬유로 제거할 수 있어 다양한 전지 특성을 높일 수 있었다”고 설명했다.

이번에 개발한 분리막은 차세대 양극 활물질로 주목받는 리튬망간산화물(LiMn₂O₄, LMO)의 상용화에도 기여할 전망이다. 이 물질은 저렴하고 출력 특성이 우수해 고용량 배터리로 주목받지만 고온에서 망간이 흘러나오는 단점이 있어 전지 성능을 악화 시켰지만 새로운 분리막으로 이러한 현상 개선이 가능하다.

또 다른 제1저자로 참여한 김정환 UNIST 에너지 및 화학공학부 석·박사통합과정 연구원은 “리튬망간산화물 전극과 함께 이 분리막을 사용한 결과, 고온에서 빠져나온 망간 이온들이 걸러지는 모습을 확인했다”고 말했다.

이상영 교수는 “현재 분리막으로 쓰는 폴리올레핀 계열의 분리막을 사용하는 전형적인 방식은 한계에 도달했다”며 “이전에 보고된 적 없는 신소재와 구조가 적용된 이번 분리막 연구는 정체된 전지 산업의 새로운 돌파구가 될 수 있을 것”이라고 평가했다.

김병수 교수는 “이번 연구는 고분자가 가진 구조체에 화학적 성질을 변화시켜 다른 기능을 부여하고 이를 실제 전지에 성공적으로 응용한 극히 드문 우수한 사례”라고 강조했다. 그는 이어 “유기소재 합성기술(김병수 교수팀)과 분리막(이상영 교수팀), 각각의 분야에서 쌓인 오랜 노하우가 만나 이뤄낸 성과”라며 “민사훈 박사가 이론 계산으로 검증한 내용도 크게 기여했다”고 덧붙였다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부의 재원으로 한국연구재단의 ‘중견연구자지원사업’, ‘글로벌박사양성사업’과 산업통상자원부 산하 한국산업기술평가관리원의 ‘IT/R&D 사업’을 지원받아 진행됐다. 연구 성과는 미국화학협회의 나노 분야 세계적인 권위지인 ‘나노레터스(Nano Letters)’ 8월호에 게재된다.