배터리 산업이 차세대 핵심 산업으로 주목받고 있다. 배터리는 스마트폰, TV 등 우리가 흔히 이용하는 전자기기부터 전기 자동차, 인공위성까지 다양하게 쓰이고 있다. 여러 분야에 활용되기에 배터리 산업의 부가 가치와 중요도는 날마다 증가하고 있다.

염봉준 화학공학과 교수는 기존 리튬금속 전지가 지닌 부작용을 완화할 새로운 복합체 분리막을 개발했다. 해당 분리막을 리튬금속 전지에 적용하면 배터리의 안정성과 효율을 높일 수 있다. 고성능ㆍ고효율 분리막을 개발해 배터리 산업의 미래를 연 염 교수를 만나 연구 이야기를 들었다.

리튬 전지는 양극재와 음극재로 구성된 2차 전지(충전이 가능한 배터리)다. 방전 시 리튬이온은 음극에서 양극으로 이동하며, 충전할 때는 리튬이온이 양극에서 음극으로 다시 이동해 원위치하는 원리다.

리튬이온 전지는 흑연 음극에 리튬 이온을 삽입했다. 반면 리튬금속 전지는 리튬 메탈로 구성됐다. 리튬금속 전지는 기존에 쓰이던 리튬이온 전지에 비해 약 10배 높은 비 용량(단위 무게 당 전지 용량)을 지녔다. 따라서 대용량 전지가 필요한 분야에 활발히 쓰이고 있다.

그러나 리튬금속을 음극으로 사용하면 표현에 덴드라이트(Dendrite, 전극 표면에 리튬 결정이 맺혀 생기는 나뭇가지 모양의 결정)가 쌓인다. 이때 덴드라이트가 과도하게 자라면 양극과 음극 중간에 위치한 분리막을 뚫어 양극까지 도달하는 문제가 발생한다. 이는 화재 사고나 배터리 폭발, 배터리 성능 저하 등의 부작용으로 이어질 수 있다.

염 교수는 부작용을 해결할 수 있는 새로운 형태의 복합체 분리막을 개발했다. 기존 분리막은 올레핀 계열 소재(폴리에틸렌, 폴리프로필렌이 주성분을 이루는 소재)를 활용했다. 염 교수는 올레핀 계열 소재 대신 아라미드 나노섬유(ANF, Aramid Nano Fiber)와 폴리에테르이미드(PEI, Polyetherimide)를 복합해 새로운 분리막을 만들었다.

해당 복합체 분리막은 90% 공극률(입자 사이의 빈틈이 차지하는 비율)을 자랑한다. 약 30~40% 공극률을 지닌 기존 분리막에 비해 아주 높은 비율이다. 공극률을 높이면 리튬이온이 양극과 음극을 자유롭게 이동할 수 있다.

또한 3차원 거미줄 구조로 이루어진 아라미드 나노섬유를 사용하면 양극과 음극에 닿는 계면에 나노 크기의 기공이 분포할 수 있다. 리튬이온이 제대로 분포할 수 있는 환경이 생기는 것이다. 따라서 덴드라이트의 성장을 억제하고 리튬금속의 음극이 평평하게 자랄 수 있다.

염 교수가 개발한 기술은 배터리가 쓰이는 모든 분야에 효과적으로 적용될 수 있다. 특히 최근 수요가 급증한 전기자동차에 가장 활발히 이용될 것으로 보인다. 이외에도 스마트폰, 노트북, 태양광 전지, 에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System)에 활용할 수 있어 사용 가치가 확대될 전망이다.

복합체 분리막 연구 결과는 재료 및 에너지 분야의 저명한 학술지 <Energy Storage Materials>에 게재돼 화제를 모았다. 염 교수는 "연구 결과가 세계적으로 인정받는 저널에 게재돼 기뻤다"며 "우리만의 새로운 접근법은 실제 상용까지 이룰 수 있는 밑거름이 될 것으로 기대한다"고 소감을 밝혔다.

현재 염 교수는 전기화학 나노 촉매 연구를 진행하고 있다. 물을 전기 분해해서 수소를 생산하는 연구에도 집중하고 있다. 또한 UV, 가시광선, 태양열 에너지로 물속 오염물을 분해하는 광분해 촉매 연구로 환경오염을 줄이는 방안을 마련하고 있다. 그 밖에도 광학 나노 신소재 연구를 하며 약학, 제약 분야까지 연구를 확장하고 있다.

향후 연구 계획으로 그는 "우선 이번에 개발한 복합체 분리막 연구를 계속할 예정이다"며 "해당 기술이 상용화되기 위해 필요한 과정을 거칠 계획이다"고 말했다. 이어 염 교수는 "소재의 대량 생산과 제조 방법, 변수 파악 등에 총력을 기울일 것이다"며 "안정적인 과정을 거쳐 상용화를 이루고 싶다"고 밝혔다.