왼쪽 아래부터 반시계 방향으로 조계용 교수, 박장우, 서민수, Kaiyun Zhang, 정호진, 권영제.

국립부경대학교 조계용 교수(에너지화학소재공학과) 연구팀이 차세대 고에너지 리튬 배터리의 안정성과 수명을 향상시킬 수 있는 능동형(Active) 분리막 기술을 개발했다. 이 기술은 고에너지 배터리에서 주로 발생하는 리튬 이온 농도구배(concentration gradient)와 전극 열화 현상을 특히 분리막 측면에서 효과적으로 완화할 수 있는 것이 특징이다.

리튬 기반 배터리는 전기차와 에너지저장장치(ESS) 등 차세대 에너지 기술의 핵심으로 주목받고 있지만, 충·방전을 반복하는 과정에서 이온 이동 불균형과 전해질 분해 반응이 발생해 성능 저하와 안전성 문제가 나타날 수 있다. 특히 전해질 염(LiPF6) 분해 과정에서 생성되는 불화수소(HF)와 같은 부산물은 배터리 내부 계면을 지속적으로 열화시키는 주요 원인으로 알려져 있다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 전해질 음이온(PF6-)의 수송 거동을 제어할 수 있는 능동형 분리막 구조를 설계했다. 이 분리막은 표면에 전기음성도가 높은 불소계 고분자 소재를 기반으로, 양이온성 특성을 가지는 아민계 기능기를 조합해 전해질 내 PF6- 음이온의 수송 특성을 정전기적으로 조절하고, PF6-의 전기적 상태를 제어해 전자적으로 강한 산성을 가지는 PF5의 유도를 제한함으로써 연속적인 전해질 분해 반응을 억제하는 역할을 한다.

이 분리막의 작동 원리를 규명한 결과, 기존 상용 폴리프로필렌(PP) 분리막 대비 리튬 이온 전달 수는 약 두 배, 리튬 이온 확산 계수는 약 세 배 향상된 것으로 나타났다. 또 전극과 전해질 사이에 형성되는 계면상(SEI/CEI)이 장기 사이클 이후에도 매우 얇고 균일한 구조가 안정적으로 형성되는 것이 확인됐다.

이러한 특성 덕분에 해당 분리막을 적용한 배터리는 고온, 고전압 조건에서뿐만 아니라 다양한 양극재 적용 시 장기 충·방전 환경에서도 안정적인 작동 성능을 보였다. 또 고속 충·방전 조건에서도 안정으로 작동했으며, 리튬 금속 음극을 사용하는 대칭 셀 실험에서도 장시간 안정적으로 작동하며 리튬 플레이팅이 균일하게 형성되는 것이 확인됐다.

논문 제1 저자인 박장우 연구원은 “이번 연구는 분리막이 물리적 장벽을 넘어 배터리 내부의 이온 환경을 능동적으로 제어할 수 있음을 보여준다”며 “그동안 해당 문제의 해결책은 주로 전극 및 전해질에서 제시됐지만, 이 연구를 통해 분리막에서도 전해질 음이온의 거동을 조절해 배터리 내부 부반응을 줄이고 이온 이동을 효율적으로 유도함으로써 차세대 고에너지 리튬 배터리의 안정성을 높일 수 있는 새로운 설계 전략을 제시했다”고 밝혔다.

이번 연구는 산업통상자원부와 한국연구재단의 지원을 통해 수행됐으며, 연구 결과를 담은 논문 ‘Active Separators Featuring PF6- Anion-regulating Interface for Long-term Stable Li-based Batteries’는 국제학술지 에 2026년 3월 온라인 게재됐다.