고려대, 리튬–산소 전지 성능·안정성 동시에 끌어올리는 고체 전해질 개발

폴리로탁산 기반 이온 통로 설계…300회 충·방전에도 안정적 구동

고려대학교 연구팀이 리튬–산소 전지의 성능과 안정성을 동시에 향상시키는 새로운 고체 전해질을 개발했다. 이번 연구는 고에너지 차세대 전지 상용화의 핵심 장애물로 꼽히던 액체 전해질의 증발·화재 위험과 리튬 금속 덴드라이트 문제를 동시에 해결할 기술적 돌파구를 제시했다는 점에서 주목된다. 연구는 신소재공학부 서지훈 교수와 건축사회환경공학부 김동완 교수 공동 연구팀이 수행했다.

연구팀은 고분자 사슬에 α-사이클로덱스트린(α-CD) 고리 분자를 끼워 넣는 방식으로 ‘폴리로탁산’ 구조를 전해질 설계에 적용했다. 고리 분자가 규칙적으로 배열되면서 리튬 이온이 이동할 수 있는 징검다리 형태의 통로가 형성되고, 소수성 사슬이 전해질 전체에 균일한 골격을 만드는 역할을 해 구조적 안정성이 크게 향상됐다.

이와 같은 구조적 특징 덕분에 고분자가 굳어 이온 이동이 감소하는 기존 고체 전해질의 한계가 완화되었고, 실험 결과 상온에서 300회 이상 충·방전을 반복해도 안정적인 작동 성능을 유지했다.

이번 연구는 기계적으로 얽힌 고분자 구조(mechanically interlocked polymer)를 고체 전해질 설계에 적용해 성능과 안정성을 동시에 끌어올린 첫 사례로 평가된다. 고체 전해질 전반에 적용 가능한 플랫폼 기술로 발전할 수 있어, 리튬–산소 전지를 넘어 다양한 차세대 에너지저장장치(ESS)의 기반 기술로 확장될 가능성이 높다.

연구팀은 향후 전해질 구조 최적화와 전지 시스템 실증 연구를 이어가 고성능·고안정성 전지 실현을 목표로 하고 있다.

연구 결과는 나노기술 및 재료 분야 상위 1% 국제 학술지인 Nano-Micro Letters(IF 36.3)에 게재되며 연구의 우수성을 인정받았다. 제1저자로는 김빛가람(시카고대), 성명창(일리노이공대) 연구자가 참여했으며, 서지훈·김동완 교수가 교신저자로 공동 연구를 이끌었다. 연구는 한국연구재단 중견연구사업의 지원으로 수행됐다.

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