▲ 초박막 공유결합유기골격구조체(COF) 필름 합성 과정 및 두께에 따른 구조·전기화학적 특성 (a) 초박막 COF 고체전해질 합성 과정 (b) 단량체 농도 조절에 따른 COF 필름의 두께 및 표면 조도 변화 (c) 형태 및 두께 변화에 따른 COF 고체 전해질 결정성 변화 (d) 형태 및 두께에 따른 COF 고체 전해질의 이온전도 특성 (e) 리튬메탈-리튬 인산철(LiFePO4) 전지의 율속 특성 (f) 리튬메탈-리튬 인산철 전지의 사이클 수명 특성(그림 및 설명=KAIST)  © 특허뉴스

고에너지 밀도를 자랑하지만 화재 위험과 부피, 무게 문제로 상용화가 지연되던 리튬메탈전지에 돌파구가 열렸다.

KAIST와 서울대 공동연구진이 상온에서도 안정적으로 작동하는 초박막(20㎛) 고체 전해질을 개발해, 화재 위험을 줄이면서도 에너지 밀도는 높인 차세대 전지 시대를 앞당겼다.

KAIST는 화학과 변혜령 교수 연구팀이 서울대학교 손창윤 교수팀과 공동으로, 실온(25°C)에서도 빠른 리튬 이온 이동이 가능한 공유결합유기골격구조체(COF, Covalent Organic Framework) 전해질을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 'Advanced Energy Materials'(2025년 10월 5일자) 에 게재되었다.

“머리카락 1/5 두께” 초박막 고체전해질, 상온에서도 안정 작동

리튬메탈전지는 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 높아 차세대 배터리로 주목받지만, 가연성 액체 전해질 사용으로 화재 위험이 높았다. 이를 대신할 유기 고체전해질은 불연성이지만, 상온에서는 리튬 이온 이동이 느려 전력 효율이 떨어졌다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 COF 구조체 내부에 리튬 이온 이동 통로를 분자 단위로 설계했다. 구멍이 일정하게 배열된 COF는 기존 금속유기골격체(MOF)보다 화학적 안정성과 내열성이 뛰어난 다공성 결정 구조를 가진다.

특히 연구진은 ‘이중 설폰산화 기능기’를 나노 기공에 도입, 리튬 이온이 가장 짧은 직선 경로를 따라 빠르게 이동할 수 있도록 했다.

분자동역학(MD) 시뮬레이션 결과, 이 구조는 리튬 이온 이동에 필요한 에너지를 최소화해, 기존 고체전해질보다 이온 이동 속도를 최대 100배 향상시킨 것으로 확인됐다.

“스스로 가지런히 정렬되는 전해질”... 고성능·고안정성 동시 구현

연구팀이 개발한 전해질은 자가조립(Self-assembly) 방식으로 제작되어, 표면이 매우 매끄럽고 구조가 균일하다. 이 덕분에 리튬 금속 전극과의 계면 접착성이 높아 전극과 전해질 사이의 이온 교환이 효율적으로 이루어진다.

이 전해질을 리튬인산철(LiFePO₄) 기반 리튬메탈전지에 적용한 결과, 300회 충·방전 후에도 초기 용량의 95% 이상 유지, 쿨롱 효율 99.999%의 고안정성, 에너지 손실 거의 없는 고효율 구동이 입증됐다.

차세대 에너지 혁신의 열쇠

변혜령 교수는 “이번 연구는 상온에서도 빠른 리튬 이온 이동이 가능한 유기 고체전해질 구현의 첫 사례로, 리튬메탈전지 상용화에 큰 진전을 이뤘다”며 “향후 무기 고체전해질과의 하이브리드 결합으로 계면 안정성을 강화하면, 전기차·에너지저장장치(ESS) 등 차세대 에너지 산업의 핵심 기술로 발전할 것”이라고 전망했다.

이번 연구의 제1저자는 KAIST 화학과 최락현 대학원생이며, 이 연구는 고체전해질 기반 차세대 리튬전지의 실용화를 앞당길 핵심 원천기술로 평가받고 있다.

논문명은 Room-Temperature Single Li⁺ Ion Conducting Organic Solid-State Electrolyte with 10⁻⁴ S cm⁻¹ Conductivity for Lithium Metal Batteries이다.