차세대 유기배터리 수명 갉아 먹는 용출… 전해질에서 원인 찾았다!

UNIST-한양대 연구팀, 용매와 양이온 상호작용에 의한 용출 원리 규명

전해질·유기전극 구조 개발 등 가이드라인 제시, ACS Nano 논문 게재

유기 배터리 전극이 전해질 속으로 녹아 나오는 현상의 원인이 규명됐다.

UNIST 에너지화학공학과 곽원진 교수팀은 한양대학교 기계공학과 최준명 교수팀과 공동 연구를 통해 전해질 안에서 일어나는 용매와 양이온 간의 강한 상호작용이 유기배터리 전극의 용출 현상을 강화한다는 사실을 밝혀냈다.

연구진. (우측부터) 이현욱 연구원(제1저자), 곽원진 교수, 이주현 연구원. UNIST 제공

유기배터리는 상용 배터리의 리튬, 니켈과 같은 금속 전극이 값싸고 공장에서 무한대로 찍어낼 수 있는 유기물로 바꾼 차세대 이차전지다.

하지만 배터리 전극이 전해질 속으로 녹아 나오는 용출 현상이 심해 전지 수명이 짧다는 점이 상용화의 큰 걸림돌이다. 이를 해결하기 위해 다양한 연구가 보고 됐으나, 정작 용출의 원인은 명확히 규명되지 않았었다.

연구 결과에 따르면, 용매와 양이온 간의 강한 상호 작용은 공삽입(Co-intercalation)을 일으킨다. 전해질은 액체 용매에 음이온과 양이온이 녹아있는 형태인데, 양이온이 전극 내부 미세구조로 들어갈 때 용매 분자까지 딸려 들어가는 현상이 공삽입이다. 용매가 딸려 들어가면 전극 소재 내부의 미세구조가 벌어지면서 전극 물질이 쉽게 흘러나오게 된다. 상호 작용이 약한 경우에는 양이온만 전극으로 들어가는 정상 삽입이 이뤄진다.

연구팀은 양이온의 종류를 바꿔가며 실험한 결과와 용매와 양이온 간의 상호작용 에너지를 이론 계산한 결과를 비교 분석해 이 같은 사실을 규명했다. 리튬, 나트륨, 칼륨 이온으로 바꿔가며 실험한 결과, 리튬이온을 쓴 경우 전극 두께가 가장 얇아졌으며, 양이온과 용매 분자 간 상호작용 에너지도 가장 컸다.

전해질 내 양이온 종류별 전극의 성능과 공삽입 차이. UNIST 제공

제1 저자인 이현욱 연구원은 “기존 유기 전극 관련 연구는 주로 전극 물질이나 구조 변화 등을 통해 용출 현상을 해결하려는데 집중해 왔는데, 이번 연구를 통해 용출의 근본적 원인을 규명했다는 데 의미가 있다”고 설명했다.

곽원진 교수는 “이번 연구를 통해 전극 물질 용출이 단순히 용해도만이 아닌 전해질 내 상호작용과 그에 따른 메커니즘 변화에 기인함을 최초로 확인하고 구체적인 전해질 설계 전략을 제시했다”고 말했다.

연구 결과는 세계적 나노과학 분야 국제학술지인 ACS Nano에 1월 14일 자로 출판됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 나노와 소재기술개발사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

영남취재본부 김철우 기자 sooro97@asiae.co.kr