리튬만 보던 배터리 설계, ‘음이온’으로 판을 바꾸다

연구 이미지. /포항공과대학교 제공

국내 연구진이 배터리 성능의 ‘주연’으로 여겨졌던 리튬 양이온 중심 설계를 넘어 그동안 주목받지 못했던 음이온의 움직임을 정교하게 설계하는 데 성공했다. 

포항공과대학교는 화학과 박수진 교수·김성호 박사 연구팀이 음이온과 불소화 에테르계 희석제의 상호작용을 제어해 듀얼 이온배터리(DIB·Dual Ion Battery)용 전해액을 개발했다고 12일 밝혔다. 이번 연구는 서강대·서울대·한국기초과학지원연구원(KBSI)과 공동으로 수행했다.

기존 리튬이온전지는 리튬 양이온이 성능을 좌우해 왔다. 그러나 DIB에서는 리튬이온이 음극으로 이동하는 동시에 음이온이 양극 흑연 층 사이로 들어가며 두 이온의 동시 이동이 에너지 저장을 결정한다. 이 때문에 음이온의 이동 방식이 성능의 핵심 변수로 떠오른다.

연구팀은 전해액 내부에서 음이온과 희석제가 어떻게 결합·이탈하는지에 주목했다. 컴퓨터 모사와 핵자기공명(NMR) 분석 결과 음이온은 주 용매보다 희석제와 더 강하게 상호작용하지만 오래 붙어 있지 않고 짧게 결합했다가 곧바로 떨어지는 ‘순간적 네트워크’를 형성하는 것으로 나타났다. 

느슨하면서도 지속적으로 재구성되는 네트워크는 음이온 이동 저항을 낮추고 전극 표면에서 용매 분리 과정을 빠르게 하며 흑연 층 사이 삽입에 필요한 구조 조정 부담을 줄이는 역할을 한다.

이 전해액을 적용한 배터리는 매우 높은 전류 조건에서 수천 회 충·방전을 반복해도 용량을 유지했고 0℃ 부근의 저온부터 60℃ 고온까지 폭넓은 온도 범위에서 안정적으로 작동했다. 전극 표면에는 얇고 균일한 보호막이 형성돼 입자 균열과 저항 증가를 억제했다. 

연구팀은 실험실용 동전형 전지를 넘어 전기차용과 유사한 파우치형 전지에서도 같은 경향을 확인해 실용화 가능성도 함께 제시했다.

박수진 교수는 “초고속 충전과 장수명, 넓은 온도 범위를 동시에 만족하는 차세대 배터리 개발의 기반이 될 분자 설계 원리를 제시했다”며 “향후 다양한 에너지 저장 기술로의 확장이 기대된다”고 말했다.

/단정민기자 [e-mail]