▲ 리튬이온 배터리 전해액의 구조

국내 연구진이 리튬이온 용매구조 분석을 통해 저온에서도 성능이 저하되지 않는 배터리를 설계하기 위한 중요한 단서를 제시했다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 조민행 분자 분광학 및 동력학 연구단장(고려대 화학과 교수) 연구팀은 저온에서 리튬이온 배터리 전해액의 용매 구조를 밝혀 배터리 성능 저하 원인을 밝혔다고 13일 전했다.

리튬이온 배터리는 양극과 음극, 분리막, 전해액으로 구성된다. 음극에서 리튬원자는 리튬이온(Li+)과 전자로 분리되고, 전자는 배선을 따라 이동하는데 이것이 전기를 공급하는 전류다.

이때 리튬이온은 전해액을 통해 양극으로 이동하고, 양극에서 다시 전자와 결합한다. 온도가 떨어지면 리튬이온이 전해액에서 전극으로 이동하는 ‘탈용매화 과정’에서 배터리의 내부저항이 증가한다.

탈용매화 과정의 초기 구조인 리튬이온 용매 구조를 명확하게 파악하는 것은 저온에서의 배터리 성능 저하 문제를 해결하기 위한 첫 걸음이다. 리튬이온 용매 구조는 리튬이온이 전해액에 녹을 때(용매화) 리튬이온과 주변의 음이온 혹은 용매 분자들이 이루는 구조를 말한다.

지금까지는 리튬이온을 중심으로 4개의 분자가 있는 4배위의 정사면체 구조를 이룬다는 것이 정설이었는데, 최근 정사면체라는 정설로 설명할 수 없는 실험결과들이 잇따라 나오고 있다.

르샤틀리에 원리에 따르면 주변의 온도가 낮아진다면 주변 온도를 높이는 방향으로 화학반응이 진행돼야 한다. 리튬이온 용매 구조가 정사면체일 때 리튬염의 이온화는 흡열반응이라 전해액의 온도가 내려가면 이온화를 진행하지 않는 방향으로 반응이 일어나야 한다. 하지만 실제로는 이온화도가 증가하는 결과가 나타난다.

이에 연구진은 저온 장치가 장착된 푸리에 적외선 분광기(FTIR)를 사용해 상온(26.85℃, 300K)부터 영하 33.15℃(240K)까지 온도를 변화시켜가며, 리튬이온 용매 구조와 이온화 과정을 관찰했다. 그 결과, 리튬이온 용매 구조는 용매 환경에 따라 3배위, 4배위, 5배위 등 다양한 구조를 가진다는 것이 확인됐다.

연구를 이끈 조민행 단장은 “이번 연구는 저온에서도 성능이 저하되지 않는 새로운 배터리를 설계하기 위한 중요한 단서를 제시했다는 의미가 있다”며 “후속 연구로 전해액에 첨가제가 있는 상황까지 반영하여 리튬이온 용매 구조를 면밀히 파악하기 위한 연구를 수행 중”이라고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 미국화학회(ACS)에서 발행하는 국제학술지 ‘Journal of Physical Chemistry Letters(IF 6.888)’ 8월 18일자에 게재됐으며, 표지논문으로 선정됐다.