조민행 교수                                              곽경원 교수

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 기초과학연구원(IBS)은 분자 분광학 및 동력학 연구단 조민행 연구단장팀이 이호춘 대구경북과학기술원(DGIST) 교수팀과 수계 전해질 리튬이온전지 속 물 분자의 상태와 리튬 이온 수송 속도 사이 상관관계를 규명해 수계 전해질 리튬이온전지의 성능을 향상시킬 단초를 마련했다고 1일 밝혔다.

리튬이온전지는 가연성 용매를 사용하기 때문에 발화 가능성이 있어 유기용매를 불이 붙지 않는 물로 대체한 수계 전해질 리튬이온전지가 개발되고 있지만 아직 성능 개선이 필요한 상황이다. 

공동연구진은 첨단분광기술인 '적외선 들뜸 탐침 분광법'과 '유전체 이완 분광법'을 이용해 염 농도에 따른 수계 전해질 속 물 분자의 거동을 관측했다.

기존에는 초고농도 용매화 환경 속에서는 모든 물 분자가 리튬 염과 상호작용 해 물 분자 간 수소결합이 완전히 파괴될 것이라고 예상해왔다.

연구진이 염 농도를 포화수준까지 높여가며 관측한 결과 28몰랄농도(mol/㎏·용매 1㎏에 녹아 있는 용질의 몰수를 나타낸 농도) 수준의 초고농도에서도 다른 물 분자와 수소결합을 갖는 물 분자가 상당량 존재하고 있다는 사실을 확인했다.

특히 다른 물 분자와 수소결합을 하는 물 분자는 리튬 염의 음이온과 수소결합을 하는 물 분자보다 빠른 회전 동역학을 갖는 것을 관찰했다.

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

발화 위험 없는 차세대 리튬이온전지의 핵심원리를 규명했다는 평을 듣는 이번 연구결과는 미국화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 'ACS Energy Letters'(IF, 23.101) 온라인판에 지난달 26일자로 게재됐다.(논문명:Dynamic Water Promotes Lithium-Ion Transport in Super-concentrated and Eutectic Aqueous Electrolytes)

제1저자인  IBS 김준규 연구원은 "이번 연구는 초고농도 수계 전해질 속 물 분자에 대한 동역학을 분자수준에서 설명한 첫 번째 사례"라며 "적외선 들뜸 탐침 분광법을 적용해 각 물 분자의 수소 결합 파트너를 구분해낼 수 있었기에 가능한 발견"이라고 설명했다.

연구를 이끈 조민행 연구단장은 "리튬 이온의 수송을 촉진할 수 있는 차세대 리튬이온전지 설계를 위한 원천지식을 제시할 것으로 기대한다"고 말했다.

출처 : https://newsis.com/view/?id=NISX20211201_0001671737&cID=10807&pID=10800