친환경적인 유기 전극 기반 배터리의 수명을 늘릴 수 있는 방법이 개발됐다. 유기 전극 기반 배터리의 상용화를 앞당기고 관련 후속 연구에 기초가 될 것으로 기대된다.
UNIST (총장 이용훈) 에너지화학공학과 곽원진 교수팀은 한양대 기계공학과 최준명 교수팀과 공동으로 “유기 전극의 장점을 유지하면서 획기적으로 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 전해질”을 개발했다. 개발된 전해질은 유기 전극 활물질이 전해질로 녹아서 나오는 용출을 효과적으로 억제했다. 전극과 전해질의 계면 안정화를 유도해 전지의 수명 또한 늘렸다.
친환경적인 유기 전극 소재는 현재 리튬이온전지에 활용되는 전이금속 기반 무기 전극 소재들을 대체하기 위한 차세대 전극으로 연구되고 있다. 하지만 전해질 안에서 발생하는 용출로 인해 전지의 수명이 짧아진다는 치명적 단점을 가진다.
곽원진 교수는 “기존에는 유기 전극 소재의 고분자화를 이용해 용출을 억제했지만 용량이나 출력에서 손해가 있었다”며 “본 연구는 전해질을 통해 제어하기 때문에 고분자화와 달리 용량의 손실이 없고 손쉽게 적용할 수 있는 접근법이다”고 설명했다.
그림1. 유기 전극의 전해질에 따른 용출 거동 차이
개발된 전해질은 공용매를 첨가해 용출을 억제한다. 공용매는 전해질의 용매와는 섞이지만 염과는 섞이지 않는 특징을 가지고 있다. 이런 특징을 이용해 용출의 원인이 되는 용매와 활물질 간 상호작용을 감소시킨다. 결과적으로 유기 전극 활물질의 용출을 억제할 수 있는 것이다.
연구팀은 개발된 전해질을 사용해 용출이 효과적으로 억제되는 것을 계산적인 방법과 실험을 통해 검증했다. 1,000회의 충·방전 실험에서도 80% 이상의 용량이 유지되는 것을 확인했다. 기존 전해질이 20회 충·방전 만에 50%도 안 되는 용량을 보인 것과는 상반된다.
그림2. 유기 전극의 용출 정도와 전지 성능 비교 및 평가
제 1저자인 이현욱 박사과정 연구원은 “유기 소재를 활물질로 활용한 전극과 이차전지 연구는 자원 고갈, 소재 가격 상승 등을 극복하기 위한 매우 중요한 연구 방향이다”고 전했다.
곽원진 교수는 “유기전극 기반 이차전지의 실용화를 위해선 해결해야 할 숙제가 많다”며 “출력이나 용량 손실 없이 가역성 향상을 이뤄낸 이번 연구를 통해 유의미한 후속 결과들을 도출해 낼 수 있을 것으로 기대한다”고 덧붙였다.
이번 연구는 세계적 재료과학 분야 국제학술지인 어드벤스드 에너지 머티리얼스 (Advanced Energy Materials)에 1월 19일 정식 출판됐으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단의 우수신진연구 사업의 지원을 받아 이뤄졌다.
