충전·방전 1000회에도 용량이 약 80% 유지되는 물 기반 리튬이온배터리를 개발하는 기술이 나왔다. 화재 위험성이 낮은 리튬이온배터리를 개발하는 데 기여할 전망이다.
포스텍은 박수진 화학과·친환경소재 대학원 교수, 정인수 화학과 통합과정생, 김성호 화학과 박사과정생이 연구 당시 포스텍 교수였던 한정우 서울대 재료공학부 교수 연구팀, 김영비 포스텍 화학공학과 통합과정생과 함께 리튬이온배터리가 물을 기반으로 친환경적이면서 안전하게 작동되도록 내구성과 고전압 구동을 동시에 구현하는 데 성공했다고 12일 밝혔다. 연구내용은 지난해 12월 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 온라인판에 게재됐다.
전해질이 유기용매인 리튬이온배터리의 화재 위험성은 전기차 시장이 커지는 데 큰 걸림돌이다. 현재 전기차에는 대부분 유기용매 기반 리튬이온배터리가 들어간다.
화재 위험성을 줄이기 위해 물을 전해질로 이용하는 '수계 리튬이온배터리'가 대안으로 연구되고 있다. 수계 리튬이온배터리는 물의 화학적 특성으로 인해 실용화에 제약이 있다. 물이 전기화학적으로 안정하게 존재할 수 있는 전압 범위인 '전위창'이 좁아 배터리의 성능이 제한되고 물 분자의 높은 반응성 때문에 배터리 수명이 짧다.
연구팀은 물의 반응성을 억제하는 ’용매화(solvation)’ 설계를 이용해 수계 리튬이온배터리를 설계했다. 유기 화합물 일종인 아세트아미드(Acetamide)를 사용해 높은 극성과 수소 결합을 형성하고 삼원계 공융 전해질을 만들었다. 삼원계 공융 전해질은 세 가지 성분이 녹아 하나의 균일한 액체를 유지하는 혼합물이다.
연구팀은 만든 혼합물을 통해 물 분자를 리튬 이온의 1차 용매화층 안에 가두어 자유로운 물 분자의 양을 줄이고 물 분자 간 수소 결합 네트워크를 깨뜨리는 방식으로 배터리를 만들어 배터리의 전위창을 1.23V에서 3.1V 이상으로 높였다. 연구팀은 배터리 내에 리튬 플루오라이드(LiF) 기반 고체 계면을 형성함으로써 물 분해를 효과적으로 억제해 배터리 성능을 크게 향상시키는 데도 성공했다.
그 결과 연구팀이 개발한 기술로 만든 리튬이온배터리는 충·방전을 1000회 반복한 후에도 76%의 방전용량을 유지하는 등 뛰어난 안정성을 보였다. 기존 배터리와 달리 별도의 코팅 물질이나 첨가제 없이도 계면의 안정성을 극대화해 상용화 가능성이 높다.
박 교수는 “이번 연구는 친환경적이고 안전한 리튬이온배터리 기술을 앞당기는 중요한 발판이 될 것으로 기대한다”라면서 "불에 타지 않는 안전한 전해질을 적용한 수계 리튬이온배터리는 전기차, 에너지 저장 시스템 등 높은 안정성이 요구되는 분야에서 큰 역할을 할 수 있을 것“이라고 강조했다.
