기초과학연구원, 분광기 등으로 리튬이온 움직임 확인
기초과학연구원(IBS)은 분자 분광학 및 동력학연구단이 물을 전해질로 사용하는 리튬이온 전지의 구동 원리를 확인했다고 21일 밝혔다.
리튬이온 전지는 스마트폰이나 노트북 등 일상생활 속 대부분 전자기기에 사용한다. 가볍고 고용량인 전지를 만드는 데 유리하고, 전력손실이 비교적 적다는 장점도 있다.
그러나 전해질로 사용되는 유기용매 발화 위험이 높고, 환경오염 유발 가능성도 있다.
학계에선 안전성을 높인 신개념 전지 개발을 위해 물을 전해질로 활용하는 방법을 다양하게 연구하고 있다. 전해질이 안정적으로 작동하기 위해선 고전압 환경에서 전기분해되지 않는 동시에 빠르게 리튬 이온을 실어 나를 수 있어야 한다.
하지만 용매로 사용한 물이 리튬 이온 수송에 어떤 역할을 하는지 아직 명확히 밝혀지지 않았다.
IBS 연구팀은 펨토초 적외선 들뜸·탐침 분광기와 이차원 적외선 분광기를 이용해 그 원리를 살폈다. 물 기반 전해질의 미시적인 구조를 관찰해 '염과 물이 고르게 섞여 있을 것'이라는 일반적인 예측이 틀렸다는 사실을 증명했다.
염은 양이온과 음이온이 정전기적 인력으로 결합한 화합물이다. 쉽게 말해 리튬 이온이 지나가는 통로로 보면 된다.
연구팀에 따르면 전해질 내부에서 염은 부분적으로 뭉쳐있고, 물 층이 그사이를 통과하는 구조를 보였다. 염 뭉치를 둘러싼 물은 염 음이온과 리튬 이온 사이의 전기적 상호작용을 줄여준다.
나머지 물 층은 ㎚ 크기 통로를 만들어 리튬 이온 수송을 가속하는 역할을 한다고 연구팀은 설명했다. 수송에 방해되는 정전기적 상호작용을 막는 동시에 빠르게 수송할 수 있는 일종의 전선 역할을 한다는 것이다.
조민행 단장은 “거시적 관점에서 진행된 기존 연구와 달리 이번 연구는 이온 네트워크라는 미시적 구조와 전해질의 거시적 특성 사이 관계를 들여다봤다”며 “미시적 분자 구조가 리튬 이차전지 성능에 지대한 영향을 미칠 수 있다는 점을 확인했다”고 말했다.
논문은 미국 화학회지(JACS)지난달 25일자에 게재됐다. 조재근 기자 jack333@cctoday.co.kr