이상영 울산과학기술대학교(UNIST) 교수팀이 주도하고, LG화학 배터리연구소 김종훈 박사팀이 참여한 연구팀은 미래창조과학부의 '기후변화대응기술개발사업' 등에서 지원받아 규칙적인 입자 배열을 특징으로 하는 오팔(opal) 보석 구조와 정반대 형태의 역 오팔(inverse opal) 구조를 갖는 신개념 분리막을 개발했다. 이 분리막은 나노미터 크기의 기공(pore)들이 균일하게 분포된 다공성 구조로, 리튬이온 전달 특성 및 내열성을 크게 향상시킬 수 있다.
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 분리막 열 수축에 의해 양극과 음극이 맞닿게 되어 폭발이나 발화의 우려도 존재했다.
연구팀은 기존 분리막 소재의 한계를 극복하기 위해 100 나노미터 크기의 실리카 나노입자를 가교반응(고분자 사슬이 서로 직접 또는 수개의 결합으로 연결되는 것, 가교 전에 비해 고분자의 기계적 강도가 증가)이 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.
박재문 미래부 연구개발정책실장은 "이번 연구성과를 토대로 향후 상용화를 위한 대면적의 분리막 제조 및 검증 등의 과제가 남아있지만, 기존 소형 전지뿐 아니라 전기자동차 및 스마트 그리드용 중대형 전지의 성능과 안전성을 한차원 향상시킬 수 있는 신개념 분리막의 기술적 토대를 마련한 데에 큰 의의가 있다"고 밝혔다.
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윤나영 기자 dailybest@asiae.co.kr
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