국내연구진, 꿈의 전지 ‘리튬금속배터리’ 수명 높이는 용매 찾아내
  • 이건오 기자
  • 승인 2022.08.09 08:30
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서울대 임종우 교수팀, 불소 없는 전해질로 배터리 성능 향상 이끌어

[인더스트리뉴스 이건오 기자] 국내 연구진이 불소 제거 유기분자를 이용해 리튬금속음극 안정성을 높여 리튬 금속 배터리의 수명과 가격경쟁력, 환경친화성을 대폭 향상시킬 수 있는 ‘유기-물리화학적’ 성질을 최초로 찾아냈다.

차세대 리튬 금속 배터리는 기존의 흑연 전극보다 10배 이상 용량이 높아 꿈의 전지로 불리고 있지만, 수명이 매우 빨리 줄어든다는 단점 때문에 상용화에 큰 문제가 있다고 지적돼왔다.

국내연구진이 불소 없는 전해질로 ‘리튬금속배터리’의 성능을 높이는 용매를 찾아냈다. [이미지=서울대]

기존에 개발돼온 전해질들은 리튬금속음극에서 자라는 뾰족한 수지상(Dendrite)을 억제하기 위해 불소원자가 포함된 용매(불화용매)를 사용했는데, 이 불화용매가 리튬금속과의 안정성이 많이 낮기 때문에 쉽게 분해되는 문제가 있었다.

전해질 용매가 전지 내에서 쉽게 분해돼 없어지는 문제는 전지 수명을 저하시키는 원인 중 하나다. 더불어 이러한 불화용매는 가격이 비싸고, 환경오염을 일으키는 문제가 있다. 그러나 이런 불화용매를 대체하는 기술은 아직까지 개발되지 못하고 있었다.

리튬 금속 배터리에서 성능 그래프 [자료=서울대]

서울대 연구진은 불소를 제거한 새로운 용매를 이용해 세계 최초 1500 충방전 사이클을 달성하는데 성공했다. 이를 통해 리튬금속전지의 수명, 가격경쟁력과 환경친화성을 대폭 향상시킨 것으로 평가된다.

이를 달성하기 위해 연구진은 기존 리튬금속전지를 위한 최적의 전해질 디자인 규칙이 명확하게 제시되지 않았다는 문제점에 주목했다.

연구진은 수지상을 억제하는 동시에 리튬금속 안정성을 향상할 수 있도록 전해질과 리튬이온이 최적의 상호작용을 만들어 낼 수 있는 유기분자의 ‘유기-물리화학적’ 디자인 규칙을 최초로 제시했다.

사진 맨 위 왼쪽부터 임종우 교수, 송문수 연구원, 정진규 연구원, 이단원 연구원 아래 왼쪽부터 김동옥 연구원, 문준엽 연구원 [사진=서울대]

연구진이 제시한 디자인 규칙에 따르면, 특정한 유기분자가 불소를 포함하지 않더라도 높은 효율과 안정성을 띤 전해질로써 사용될 수 있다는 것을 알 수 있었다. 특히, ‘퓨란’, ‘아니솔’과 같은 저렴한 비불소화 유기분자를 활용해 전해질을 개발할 경우, 충방전 사이클이 대폭 향상되는 것을 보여줬다.

연구진은 추가 실험과 이론적 계산을 통해 유기분자 내 독특한 공명구조를 유도할 경우, 디자인 규칙에 부합한 분자를 개발하는 것이 가능하다는 것을 밝혀냈다. 이를 확장해 다양한 유기 분자들이 고성능 전해질로 사용될 수 있는 가능성을 제시한 것으로 파악된다.

이번 연구는 네이처커뮤니케이션(Nature Communications) 8월 4일 논문으로 실렸으며, 연구재단 우수신진연구과제 지원으로 수행됐다.

 


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