충남대-전남대 연구팀, 초미세 공간 속 리튬 이온 움직임 규명

(대전=뉴스1) 박찬수 기자 = 충남대학교 신소재공학과 박상백 교수와 전남대학교 기계공학부 차진혁 교수 공동 연구팀이 높은 온도에서도 폭발 위험 없이 안전하게 작동하는 차세대 반고체전지 기술을 개발하고, 초미세 공간 속 리튬 이온의 움직임을 세계 최초로 규명했다.

8일 충남대에 따르면 이번 연구 결과는 나노·에너지 소재 분야 세계적 학술지인 ‘Nano-Micro Letters’(IF: 36.3, JCR 상위 1% 이내)에 5일자 온라인판으로 게재됐다. 이번 연구는 충남대 Minh Hai Nguyen 박사가 제1저자, 충남대 박상백, 전남대 차진혁 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

공동 연구팀은 액체 상태로 흐르던 전해질을 1차원 나노 구조의 금속유기골격체(MOF) 내부, 서브나노미터 수준의 초미세 공간에 완전히 가두는 데 성공했다. 이를 통해 전해질 전체를 흐르지 않는 반고체 상태로 만들었으며, AI 기반 시뮬레이션을 활용해 머리카락 굵기보다 수만 배 작은 초미세 공간 속에서 리튬 이온이 어떻게 움직이는지를 세계 최초로 밝혀냈다.

기존 리튬전지는 액체전해질이 사용돼 고온이나 충격에 노출될 경우 불이 붙거나 폭발할 위험이 있었다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 액체전해질이 흐를 수 없도록 구조적으로 가두는 방식을 선택했다.

기존의 입자 형태 MOF 기반 반고체전해질에서는 액체전해질이 MOF 기공뿐 아니라 입자 사이에도 함께 존재해 완전한 반고체 상태를 구현하는 데 한계가 있었다. 반면 이번 연구에서 도입한 1차원(1-D) MOF 구조는 연속적인 통로를 통해 기공 외부에 남은 액체전해질을 제거할 수 있어, 액체전해질을 MOF 내부 기공에만 선택적으로 가두는 설계가 가능하다.

그 결과, 전해질은 겉보기에는 고체처럼 안정적이면서도 리튬 이온은 자유롭게 이동할 수 있는 반고체 전해질 상태를 유지하며, 이번 연구에서는 이러한 구조적 설계를 통해 액체전해질의 100% 반고체화를 구현하는 데 성공했다.

연구팀은 실험만으로는 확인하기 어려운 초미세 기공 내부 현상을 이해하기 위해 신경망 포텐셜(Neural Network Potential) 기반의 AI 분자동역학 시뮬레이션을 도입했다. 전남대 차진혁 교수 연구팀이 주도한 시뮬레이션 연구를 통해 연구진은 리튬 이온이 기공 크기에 따라 다르게 움직이며 어떤 조건에서 더 안전하고 균일하게 전극에 쌓이는지를 처음으로 규명했다. 이는 차세대 반고체전지 설계를 경험이 아닌 과학적 근거와 데이터로 최적화할 수 있는 길을 연 성과로 평가된다.

이러한 설계를 적용한 전지는 100도의 고온 환경에서도 안정적으로 충·방전이 반복되는 성능을 보였다. 기존 액체전해질 기반 전지는 이 온도 조건에서 빠르게 성능이 저하되거나 작동이 중단되는 반면, 이번에 개발된 반고체전지는 장시간 구동에도 전압 변동이 작고 안정적인 작동 특성을 유지했다. 이는 전해질이 고온에서도 분해되거나 흐르지 않고 구조적으로 안정하게 유지되기 때문으로, 고온 환경에서의 안전성과 신뢰성을 동시에 확보했음을 실험적으로 입증한 결과다.

pcs4200@news1.kr