발화 위험 없는 차세대 리튬이온전지, 핵심 원리 규명

- IBS 연구진, 불연성 수계 전해질 작동 원리 분자 수준에서 규명 -

▲ 기초과학연구원(IBS) 연구진이 발화 위험을 없앤 차세대 배터리의 성능을 향상시킬 핵심 단서를 발견했다. (출처: Pixabay)

리튬이온전지는 스마트폰, 노트북 등 대부분의 소형전자기기에 사용된다. 뉴스에서 종종 접하는 스마트폰 폭발 사고처럼, 리튬이온전지는 가연성 유기용매를 사용하기 때문에 발화 위험이 있다. 최근에는 유기용매를 불이 붙지 않는 물로 대체한 ‘수계 전해질 리튬이온전지’가 개발되고 있지만, 아직은 상용화까지 성능 개선이 필요한 상황이다.

국내 연구진이 이 수계 전해질 리튬이온전지의 성능을 향상시킬 단초를 마련했다. 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단 조민행 연구단장 연구팀은 수계 전해질 리튬이온전지 속 물 분자의 상태가 성능에 미치는 영향을 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.

연구진은 첨단 분광 기술을 이용해 염 농도에 따른 수계 전해질 속 물 분자의 거동을 관측했다. 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.

▲ 초고농도 수계 전해질 리튬이온전지의 구조. IBS 연구진은 다른 물 분자와 수소결합을 하는 물 분자가 많을수록 리튬 이온의 수송 능력이 우수해짐을 규명했다.

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.

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’ 11월 26일자 온라인 판에 게재됐다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬