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| 리튬 배터리 한계 극복 '능동형 분리막 기술' 개발(Development of an “Active Separator Technology” to Overcome the Limitations of Lithium Batteries) | |||
| 작성자 | 대외홍보센터 | 작성일 | 2026-03-31 |
| 조회수 | 583 | ||
| 리튬 배터리 한계 극복 '능동형 분리막 기술' 개발(Development of an “Active Separator Technology” to Overcome the Limitations of Lithium Batteries) | |||||
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대외홍보센터 |  |
2026-03-31 |  |
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국립부경대 조계용 교수, 고에너지 리튬 배터리 안정성 높이는 ‘능동형 분리막 기술’ 개발
- 국제학술지
△ 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 <Advanced Functional Materials>에 2026년 3월 온라인 게재됐다. <부경투데이>
△PF6- 음이온 제어 능동형 분리막 기반 배터리 안정화 메커니즘 모식도 이미지.
Professor Cho Gye-Yong of Pukyong National University Develops “Active Separator Technology” to Enhance the Stability of High-Energy Lithium Batteries
- Published in an international journal
A research team led by Professor Cho Gye-Yong of the Department of Energy and Chemical Materials Engineering at Pukyong National University has developed an active separator technology that can enhance the stability and lifespan of next-generation high-energy lithium batteries. This technology is particularly effective in mitigating lithium-ion concentration gradients and electrode degradation, which commonly occur in high-energy batteries, especially from the separator perspective.
Lithium-based batteries are widely regarded as a core technology for next-generation energy applications, including electric vehicles (EVs) and energy storage systems (ESS). However, during repeated charge-discharge cycles, imbalances in ion transport and electrolyte decomposition reactions can occur, leading to performance degradation and safety issues. In particular, byproducts such as hydrogen fluoride (HF) generated during the decomposition of the electrolyte salt (LiPF6) are known to continuously degrade internal battery interfaces.
To address these issues, the research team designed an active separator structure capable of controlling the transport behavior of electrolyte anions (PF6-). This separator is based on a fluorinated polymer material with high electronegativity on its surface, combined with amine-based functional groups exhibiting cationic characteristics. Through this design, it electrostatically regulates the transport properties of PF6- anions in the electrolyte and controls their electrical state, thereby limiting the formation of PF5, which exhibits strong acidity. As a result, it effectively suppresses continuous electrolyte decomposition reactions.
Analysis of the operating mechanism of this separator revealed that, compared to conventional polypropylene (PP) separators, the lithium-ion transference number increased by approximately twofold, while the lithium-ion diffusion coefficient improved by about threefold. In addition, the interfacial layers (SEI/CEI) formed between the electrode and electrolyte were found to maintain a thin and uniform structure even after long-term cycling.
Owing to these characteristics, batteries incorporating this separator demonstrated stable performance not only under high-temperature and high-voltage conditions, but also during long-term charge-discharge cycles across various cathode materials. The batteries also operated stably under high-rate charge-discharge conditions, and symmetric cell experiments using a lithium metal anode confirmed long-term stability with uniform lithium plating formation.
Park Jang-Woo, the first author of the study, stated, “This research demonstrates that separators can go beyond acting as a physical barrier and actively control the ionic environment inside batteries.” He added, “While solutions to this issue have traditionally been proposed at the electrode and electrolyte levels, this study presents a new design strategy in which the separator regulates the behavior of electrolyte anions, reduces side reactions within the battery, and efficiently guides ion transport, thereby enhancing the stability of next-generation high-energy lithium batteries.”
This research was supported by the Ministry of Trade, Industry and Energy and the National Research Foundation of Korea. The findings were published online in March 2026 in the international journal Advanced Functional Materials under the title 'Active Separators Featuring PF6- Anion-Regulating Interface for Long-term Stable Li-based Batteries.'
