국내 연구진이 물 기반 전해질을 쓰는 차세대 이차전지 구현에 필요한 핵심 원리 규명에 성공했다. 이 원리를 활용하면 발화 위험이 있는 기존 전해질을 대체하는 고안정성 이차전지 개발을 앞당길 수 있다.
기초과학연구원(IBS·원장 김두철)은 조민행 분자 분광학 및 동력학 연구단장 연구팀이 물 기반 전해질 리튬이온전지의 구동 원리를 밝혀냈다고 21일 밝혔다.
전지 핵심 요소인 전해질은 양극과 음극 사이에서 리튬 이온과 전류를 흐르게 한다. 주 재료인 유기용매는 발화나 환경오염 우려가 있다. 이 때문에 물을 전해질에 사용하는 연구가 활성화되는 추세다. 물은 리튬 이온을 많이 함유할 수 있고 점성이 낮아 이온 이동이 빠르다.
문제는 물이 쉽게 전기분해된다는 점이다. 분해를 막기 위해 양·음이온 결합 화합물인 '염'을 더하는데, 이 경우 전해질 점성이 증가해 본래 강점이던 이온 이동 속도가 떨어질 수 있다. 염 농도를 최적화하는 연구가 필요하지만 아직 관련 이해도가 떨어지는 상황이다.
연구팀은 물 기반 전해질의 미시 구조 관찰로 기존 인식을 뒤집는 사실을 밝혀냈다. 분자 진동 에너지 전달과정을 관측하는 '펨토초 적외선 들뜸-탐침 분광기'와 화학 반응을 실시간 측정하는 '이차원 적외선 분광기'로 일부 염이 물과 서로 분리된다는 것을 확인했다. 특정 상황에서는 염 농도가 높아도 이온 수송 속도를 높일 수 있음을 발견했다.
'TFSI'와 같은 일부 염은 '이온 네트워크 구조'라는 뭉침 구조를 이루고, 물은 구조 사이에서 이온 이동 통로 역할을 했다.
연구팀은 이번 연구가 차세대 이차전지 개발을 앞당길 것으로 기대하고 있다. 앞으로 이온네트워크 구조를 이루는 염을 도출하고 최적화된 비율을 연구할 방침이다.
조민행 단장은 “이번 연구는 미시구조와 전해질의 거시적 특성의 관계를 규명한 것”이라며 “이온 네트워크는 리튬이차전지 성능에 지대한 영향을 미칠 수 있다”고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
