서울대 연구진, 불소 없는 전해질로 리튬 금속 배터리 성능 향상

(사진 맨 위 왼쪽부터) 임종우 교수, 송문수 연구원, 정진규 연구원, 이단원 연구원
(아래 왼쪽부터) 김동옥 연구원, 문준엽 연구원. 사진 서울대학교 *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]김수연 인턴 기자 = 서울대학교 자연과학대학 화학부 임종우 교수 연구팀(공동 제1저자 문준엽 연구원, 김동옥 연구원)은 불소 없는 전해질로 리튬 금속 배터리의 성능을 크게 향상하는 연구를 진행했다고 8일 밝혔다. 이를 통해 리튬금속 전지의 수명, 가격경쟁력과 환경친화성을 대폭 향상시켰다고 평가된다.

차세대 리튬 금속 배터리는 기존의 흑연 전극보다 10배 이상 용량이 높지만, 수명이 매우 빨리 줄어든다는 단점 때문에 상용화에 큰 문제가 있다. 기존에 개발된 전해질들은 리튬금속음극에서 자라는 뾰족한 수지상(dendrite)을 억제하기 위해 불소 원자가 포함된 용매(불화 용매)를 사용했는데, 이 용매는 리튬금속과의 안정성이 아주 낮아 쉽게 분해되는 문제가 있었다. 게다가 불화 용매는 가격이 비싸고, 환경 오염을 일으키는 문제가 있었지만 이를 대체할 기술이 개발되지 못했다.

 임종우 교수 연구팀은 불소를 제거한 새로운 용매를 이용해 세계 최초 1500 충방전 사이클을 달성하는 데 성공했다. 이를 달성하기 위해 연구진은 기존 리튬금속 전지를 위한 최적의 전해질 디자인 규칙이 명확하게 제시되지 않았다는 문제점에 주목했다. 연구진은 수지상을 억제하는 동시에 리튬금속 안정성을 향상하도록 전해질과 리튬 이온이 최적의 상호작용을 만들어 낼 수 있는 유기분자의 '유기-물리화학적' 디자인 규칙을 제시했다. 이에 따르면 특정한 유기분자가 불소를 포함하지 않더라도 높은 효율과 안정성을 띤 전해질로 사용될 수 있다는 것을 알게 돼 특히 '퓨란', '아니솔'과 같은 저렴한 비불소화 유기분자를 활용해 전해질을 개발할 경우, 충방전 사이클이 대폭 향상되는 것을 보여줬다.
 
연구진은 추가 실험과 이론적 계산을 통해 유기분자 내 독특한 공명 구조를 유도할 경우, 디자인 규칙에 부합한 분자를 개발하는 것이 가능하다는 것을 밝혀냈다. 또 이를 확장해 다양한 유기 분자들이 고성능 전해질로 사용될 가능성을 시사했다.

본 연구는 서울대 화학부 임종우 교수 연구실의 석사과정 학생인 문준엽 연구원과 학부 인턴 학생인 김동옥 연구원이 공동 1 저자로 연구를 주도해, 화학과의 학부과정 지식으로도 산업계에서 주목하는 차세대 이차전지 분야의 발전에 기여를 할 수 있다는 메시지를 제시했다는 의의를 갖는다.

한편, 본 연구 논문은 네이처 커뮤니케이션(nature communications)에 지난 4일 실렸다.


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