리튬이온전지는 스마트폰, 노트북 등 대부분의 소형전자기기에 사용된다. 상용 리튬이온전지는 가연성 유기용매를 용매로 사용하기 때문에 발화 가능성이 있다. 유기용매를 불이 붙지 않는 물로 대체한 수계 전해질 리튬이온전지가 개발되고 있지만, 아직 성능 개선이 필요한 상황이다.

국내 연구진이 수계 전해질 리튬이온전지의 성능을 향상시킬 단초를 마련했다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 분자 분광학 및 동력학 연구단 조민행 연구단장(고려대 화학과 교수) 연구팀은 이호춘 대구경북과학기술원(DGIST) 교수팀과 공동으로 수계 전해질 리튬이온전지 속 물 분자의 상태와 리튬 이온 수송 속도 사이 상관관계를 규명했다.

물을 바탕으로 하는 수계 전해질 리튬이온전지는 안정성이 매우 뛰어나 기존 리튬이온전지의 대체재로 주목받고 있다. 수계 전해질을 고전압에서 사용하려면, 물이 높은 전압에서 전기 분해되지 않도록 염을 초고농도로 녹여야 한다.
이 경우 이론적으로는 전해질의 점도가 높아져 리튬 이온 수송을 방해한다. 하지만 실제로는 초고농도 전해질 리튬이온전지는 큰 점도에 대비 빠른 리튬 이온 수송이 가능한데, 이 메커니즘이 명확히 밝혀진 적은 없었다.

공동 연구진은 ‘적외선 들뜸 탐침 분광법¹⁾'과 ‘유전체 이완 분광법²⁾'이라는 첨단 분광 기술을 이용해 염 농도에 따른 수계 전해질 속 물 분자의 거동을 관측했다. 기존에는 초고농도 용매화 환경 속에서는 모든 물 분자가 리튬 염과 상호작용을 하여 물 분자 간의 수소결합이 완전히 파괴될 것이라고 예상되어 왔다.

연구진이 염 농도를 포화수준까지 높여가며 관측한 결과, 28몰랄농도(mol/kg‧용매 1kg에 녹아 있는 용질의 몰수를 나타낸 농도) 정도의 초고농도에서도 다른 물 분자와 수소결합을 가지는 물 분자가 상당량 존재하고 있음을 확인했다. 특히, 다른 물 분자와 수소결합을 하는 물 분자는 리튬 염의 음이온과 수소결합을 하는 물 분자보다 빠른 회전 동역학을 보여줬다. 회전 동역학이 빠르다는 것은 리튬 이온의 용매화 구조가 빠르게 변화하여 리튬 이온이 이동할 확률이 높다는 것을 의미한다.

제1저자인 김준규 연구원은 “이번 연구는 초고농도 수계 전해질 속 물 분자에 대한 동역학을 분자 수준에서 설명한 첫 번째 사례”라며 “적외선 들뜸 탐침 분광법을 적용해 각 물 분자의 수소 결합 파트너를 구분해낼 수 있었기에 가능한 발견”이라고 설명했다.

연구를 이끈 조민행 연구단장은 “우리 연구진은 적외선 들뜸 탐침 분광법을 활용해 물을 기반으로 하는 다양한 전해질의 미시적 특성 연구를 진행하고 있다”며 “리튬 이온의 수송을 촉진할 수 있는 차세대 리튬이온전지 설계를 위한 원천지식을 제시할 것으로 기대한다”고 말했다.

연구결과는 미국화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 ‘ACS Energy Letters(IF, 23.101)’ 11월 26일자(한국시간) 온라인 판에 게재됐다.

그림설명

▲ [그림 1] 초고농도 수계 전해질의 용매화 구조
물 분자의 빠른 회전이 리튬이온의 수송을 촉진시키고 있는 모습을 나타내고 있다.

1) 적외선 들뜸 탐침 분광법(Polarization Selective IR Pump-Probe Spectroscopy) : 탐침 분자의 주변 화학적 환경에 따라 달라지는 진동 동역학과 회전 동역학을 검출할 수 있는 기술.

2) 유전체 이완 분광법(Dielectric Relaxation Spectroscopy) : 전해질 내부에 존재하는 다양한 극성 화학종에 따라 다른 신호를 검출함으로서 전해질에 존재하는 화학종의 종류와 농도를 측정할 수 있는 기술.