인하대학교는 최우혁 고분자공학과 교수 연구팀이 부산대학교 김채빈 응용화학공학부 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 재활용이 가능한 차세대 친환경 고분자 전해질을 개발했다고 16일 밝혔다.
차세대 전지의 핵심 소재인 고체 고분자 전해질은 높은 이온 전도성과 기계적 안정성을 모두 갖춰야 한다. 그러나 기존 열경화성 고분자는 한 번 굳으면 다시 가공하거나 재활용할 수 없어 환경 부담과 비용 문제가 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 동적 공유결합(CAN·covalent adaptable network)에 주목했다. 이 결합은 필요할 때 끊어지거나 다시 형성될 수 있어 재활용과 재가공이 가능하다. 해외에서 전자재료와 구조용 소재에는 적용 사례가 있었지만, 전해질로서 강한 접착력·기계적 탄성·이온 전도성을 동시에 확보한 경우는 드물었다.
특히 기존 연구에서 문제가 됐던 촉매 필요성과 물성·재활용성 간 충돌을 해결했다. 연구팀은 촉매가 필요 없는 동적 공유결합 기반 고분자 전해질을 설계해 사용 후 재활용과 리튬염 회수를 동시에 실현할 수 있는 소재를 선보였다.
연구는 β-아미노에스터 기반의 가역적 결합을 도입해 전지 구동 중에는 안정성을 유지하면서, 필요 시 가열을 통해 결합을 교환·재배열할 수 있도록 했다. 사용 후에는 가열과 용매 처리를 통해 연결 구조를 해체하고 리튬염을 회수할 수 있다.
연구팀은 합성한 고분자 전해질을 리튬금속 전지에 적용해 장시간 구동 안정성과 전극 계면 접착력을 확인했다. 또한 사용 후 소재를 용매 처리해 고분자 전해질과 리튬염을 분리하거나, 소재 자체를 전해질로 재사용할 수 있다는 점을 입증해 완전 재활용 전지 시스템을 실증했다. 회수된 리튬염은 순도 저하 없이 다시 전지 제조에 활용 가능했다.
이번 성과는 차세대 리튬금속전지의 안정성과 지속가능성을 동시에 충족하는 대안으로 주목받고 있다. 전기차와 휴대폰 전지에서 전해질은 핵심 부품으로, 안정성과 재활용성이 미래 에너지 산업을 좌우하기 때문이다. 연구팀은 이번 성과가 전기차 배터리와 에너지 저장장치(ESS) 등 운송과 에너지 분야에서 중요한 전환점을 마련할 것으로 기대하고 있다.
최우혁 인하대 교수는 “차세대 리튬금속전지에 적용 가능한 새로운 전해질 기술을 실증했다는 점에서 의미가 크다”며 “사용 후 회수·재활용이 가능한 특성을 통해 에너지 산업의 지속가능성 확보에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A)’ 온라인판에 게재됐으며, 표지 논문으로 선정됐다.
헬로티 이창현 기자 |
