초고농도 수계 전해질의 용매화 구조 물 분자의 빠른 회전이 리튬이온의 수송을 촉진시키고 있는 모습을 나타내고 있다.(IBS 제공) © 뉴스1

국내 연구진이 수계 전해질 리튬이온전지의 성능을 향상시킬 단초를 마련했다. 1일 기초과학연구원(IBS)에 따르면 조민행 연구단장 연구팀이 이호춘 DGIST 교수팀과 공동으로 수계 전해질 리튬이온전지 속 물 분자의 상태와 리튬 이온 수송 속도 사이 상관관계를 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.

초고농도 전해질 리튬이온전지는 큰 점도 대비 빠른 리튬 이온 수송이 가능하지만 이 메커니즘이 명확히 밝혀진 적은 없었다.

공동 연구진은 △적외선 들뜸 탐침 분광법 △유전체 이완 분광법 이라는 첨단 분광 기술을 이용해 염 농도에 따른 수계 전해질 속 물 분자의 거동을 관측했다.

지금까지는 초고농도 용매화 환경 속에서는 모든 물 분자가 리튬 염과 상호작용을 해 물 분자 간의 수소결합이 완전히 파괴됐다.하지만 연구진이 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.

특히, 다른 물 분자와 수소 결합을 하는 물 분자는 리튬 염의 음이온과 수소결합을 하는 물 분자보다 빠른 회전 동역학을 보여줬다.

회전 동역학이 빠르다는 것은 리튬 이온의 용매화 구조가 빠르게 변화해 리튬 이온이 이동할 확률이 높다는 것을 의미한다.

연구를 이끈 조민행 연구단장은 “리튬 이온의 수송을 촉진할 수 있는 차세대 리튬이온전지 설계를 위한 원천지식으로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 국제학술지 ‘ACS Energy Letters’ 11월26일자 온라인판에 게재됐다.


km5030@news1.kr