[데일리환경=유승철 기자] 리튬 금속 전지는 기존 리튬이온전지의 흑연 음극 대신 금속 리튬을 쓰는 차세대 전지다. 더 많은 에너지를 담을 잠재력이 있지만, 충전 중 리튬이 한곳에 쌓여 바늘처럼 자라는 ‘덴드라이트’가 반복적으로 문제를 일으킨다. 덴드라이트가 전극 사이를 가르는 분리막을 뚫으면 내부 단락으로 이어질 수 있다. KAIST 연구진은 분리막의 구멍을 단순히 늘리는 대신, 이온이 지나갈 길의 방향을 정돈하는 방법을 제시했다.KAIST는 화학과 윤동기·변혜령 교수 공동 연구팀이 액정 고분자의 분자 배열을 조절해 리튬이온의 이동을 제어하는 분리막을 개발했다고 9일 밝혔다. 액정 고분자는 액정 분자처럼 배열 방향을 조정할 수 있는 고분자 재료다. 연구팀은 미세한 구멍이 뚫린 고분자막 안쪽에 리튬이온 이동을 돕는 폴리에틸렌글리콜(PEG) 사슬을 붙이고, 분자 배열을 수평 또는 수직으로 바꿔 성능을 비교했다. 논문에 따르면 분리막 안의 나노 구멍은 약 19㎚ 크기다. 연구진이 분자를 전극을 향해 수직으로 배열하자 이온이 막을 통과하는 경로가 수평 배열막보다 더 곧아졌다. 같은 정도의 구멍 구조에서 이온 이동 경로의 유효 굴곡도는 약 2.5배 낮아졌고, 탄산염계 전해질에서 이온전도도는 1.77mS/㎝, 리튬이온 이동 활성화에너지는 0.12eV로 보고됐다. 굴곡도는 분리막을 가로지르는 이온의 실제 이동 길이가 막의 두께에 비해 얼마나 돌아가는지를 나타낸다.약 2.5배 낮아졌다는 값은 수평 배열막과 수직 배열막 사이의 이온 경로 굴곡도 비교다. 충전 시간이 2.5배 짧아졌다는 뜻은 아니다. 연구진은 유사한 기공 구조를 가진 두 배열을 비교했다. 따라서 구조 지표의 개선을 실제 소비자용 배터리의 충전 시간이나 수명 증가로 곧바로 바꿔 읽어서는 안 된다.이온이 넓은 면적에 고르게 공급되면 특정 지점에 리튬이 몰려 자라는 현상을 줄일 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다. 연구진은 새 분리막을 니켈·코발트·망간계 양극재(NMC811)를 쓴 리튬 금속 전지에 적용했다. 4C 급속 충전 조건으로 100회 충·방전을 반복한 뒤에도 초기 용량의 94%를 유지했고, 평균 쿨롱 효율은 99.86%였다. 쿨롱 효율은 충전한 전하량 중 방전으로 다시 꺼내 쓸 수 있는 비율을 뜻한다.4C는 이론상 1시간 충전 기준의 네 배 속도로, 일정한 조건이라면 15분에 해당한다. 그러나 이 수치만으로 실제 전기차나 휴대전화가 15분 만에 완전히 충전된다고 볼 수는 없다. 실제 충전 시간은 셀 크기와 전극 설계, 충전 구간, 열 관리 등 여러 조건에 따라 달라진다. KAIST도 보도자료에서 실제 완전 충전 시간은 배터리 특성과 충전 방식에 따라 달라진다고 설명했다.이번 결과의 핵심은 분리막 내부의 구조를 설계해 이온의 흐름과 리튬 석출을 함께 제어할 가능성을 보였다는 데 있다. 분리막은 양극과 음극이 직접 닿지 않도록 막으면서 전해액 속 이온은 통과시키는 부품이다. 기존 연구에서도 분리막의 기공 구조와 표면 기능을 바꿔 덴드라이트를 억제하려는 시도가 이어져 왔다. 이번 연구는 액정 고분자의 배열 방향을 조절해 수직 이동 통로를 만드는 접근을 구체적인 셀 시험으로 확인했다. 전극이나 전해질의 화학 조성을 바꾸는 연구와는 다른 설계 방향이지만, 다른 재료 조합에서도 같은 효과가 유지되는지는 추가 검증이 필요하다.다만 논문에 제시된 결과는 특정 소재 조합과 시험 조건에서 100회 반복한 실험실 셀의 성능이다. 전기차용 대형 셀에서 필요한 장기간 수명과 안전성, 제조 공정의 균일성, 비용, 다양한 온도·충전 조건까지 확인됐다는 뜻은 아니다. 리튬 금속 전지는 덴드라이트 외에도 전해질과의 부반응, 충·방전 과정에서의 리튬 손실 등 해결해야 할 과제가 남아 있다. 관련 종설도 실험실 성과를 실제 규모로 옮기려면 계면 안정화와 현실적인 시험 조건을 함께 검증해야 한다고 지적한다.연구 결과는 국제학술지 ‘ACS Nano’에 2026년 9월 28일 온라인으로 먼저 공개됐다. 논문은 20권 40호에 수록돼 10월 13일자로 발행됐다. KAIST는 11월 9일 연구를 소개했다. 분리막 설계가 차세대 전지의 급속 충전과 수명 개선에 기여할 여지는 있지만, 이번 연구는 상용화 완료나 실제 차량 적용을 발표한 것은 아니다. 다음 단계에서는 더 큰 셀과 장기 운전 조건에서 성능과 안전성을 재현할 수 있는지가 관건이다.