[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

전기차의 성공적인 상업화에 힘입어 리튬 이온 배터리의 수요는 해마다 증가하고 있다. 그러나 리튬 이온 배터리 양극재의 주요 원자재 가격이 상승함에 따라 소비자가에 영향을 주어 저렴한 가격과 고성능을 만족시킬 수 있는 대체 양극재가 필요하다. 유기 전극은 일반적인 양극재와 달리 전극 활물질로 유기물을 사용하여 그 값이 상대적으로 매우 저렴할 뿐만 아니라 구조적 특성으로 인해 매우 빠른 속도의 충·방전이 가능하다. 그러나 유기 전극은 전지 구동 중 활물질의 결정성이 변화하고 이로 인해 전해질에 활물질이 녹아나는 용출이 일어날 수 있다. 활물질의 용출은 유기 전극의 장기 수명 특성을 저하시키는 주요 원인인데, 이를 막기 위해 활물질의 고분자화가 많이 연구되었으나 전극 제조에 있어 추가적인 합성 과정을 요구할 뿐만 아니라 전극의 에너지 밀도 감소를 야기한다. 한편 전해질을 통한 용출 억제 또한 연구되었는데, 고농도 전해질 (HCE, high-concentration electrolyte)이 그 예시이다. HCE는 염의 고농도화로 유기 활물질의 용출을 일정 수준 막을 수 있을 수 있으나, 높은 점도와 낮은 젖음성에 의한 이온전도도가 낮아진다는 한계점이 존재한다. 따라서 유기 전극의 가능성을 온전히 활용하기 위해서는 용출을 억제하면서 다양한 물성치를 만족하는 전해질 개발이 필요하다.

2. 연구내용

본 연구팀은 HCE에서의 충분치 않은 물성을 개선하고자 국부 고농도 전해질 (LHCE, localized high-concentration electrolyte)를 도입하였다. LHCE는 HCE에 희석제를 첨가하여 구성하는데, 희석제는 전해질의 용매와는 섞임성이 있으나 염과는 없어 국부적으로 염이 고농도화 된 용매화 구조를 이루게 한다. 이에 LHCE는 HCE 대비 개선된 이온전도도를 가지고 있을 뿐만 아니라 리튬 이온의 전해질 내 화학종들과의 결합 에너지가 낮아 보다 빠른 확산이 가능하다. 특히 희석제로 사용된 물질은 사용된 유기 전극을 녹일 수 없는 성질을 지니고 있어 HCE의 충분치 않은 용출 억제 효과를 개선할 수 있는 것이다.

LHCE의 용출 억제 효과는 시뮬레이션을 통해 우선적으로 확인하였다. HCE에서의 유기 전극은 용매와의 상호작용이 매우 강한 반면, LHCE의 경우 용매와의 상호작용이 상당 부분 줄어들어 유기 활물질의 용출이 적게 일어날 수 있음을 시사한다.

실질적인 용출 억제 효과는 화학적/전기화학적 실험을 통해 확인하였다. 방전된 유기 전극을 각 전해질에 일정 시간동안 담가두어 활물질의 용출 정도를 보았을 때, HCE에서는 색 변화가 뚜렷하게 있는 반면, LHCE에서는 색 변화가 거의 없는 것을 관찰하였다. 이러한 경향성은 사이클 테스트에서도 나타났는데, 희석제가 첨가되지 않은 전해질의 경우 200 사이클 내외의 낮은 사이클 성능을 보였지만 LHCE가 사용된 전지는 매우 높은 수명 특성을 보였다. 유기 전극의 사이클에 따른 용출 정도는 전극 표면 관찰을 통해 알 수 있는데, 희석제가 포함된 전해질에서는 유기 활물질의 용출이 거의 진행되지 않아 표면이 유지되었지만 HCE에서는 유기 활물질이 용출되어 전극 표면의 형태가 변한 것을 알 수 있다.

더불어 희석제가 포함된 전해질에서의 염 농도 차이에 의한 효과를 확인하기 위해 매우 빠른 충·방전 조건에서 전지의 성능을 비교하였다. 염 농도가 낮을 경우 빠른 용량 감소를 보인 반면, 염 농도가 충분히 높을 경우 용량 유지율이 현저히 높은 것으로 확인돼 염의 농도 또한 장기 수명 특성에 영향을 미침을 알 수 있다.

3. 기대효과

기존의 유기 전극의 용출 억제를 위한 접근법들은 유기 전극의 장점이 상쇄되는 반작용이 있다. 그러나 본 연구는 전해질 수준의 용출 억제를 통해 유기 전극의 장점인 높은 질량당 에너지 밀도를 유지하면서도 장기 수명 특성을 향상 시켰다는 점에서 그 의의가 있다. 본 연구에서의 조성은 상대적으로 복잡하지만 본 연구를 통해 유기 전극의 용출을 전해질 수준에서 제어하는 방향성을 확보할 수 있을 것으로 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 활물질 (Active materials)

전극에서 전지의 용량 발현을 위해 전기화학적인 반응에 참여하는 물질

2. 이온전도도 (Ionic conductivity)

전해질 내 이온이 전자기장 아래에서 움직이는 정도

3. 결합 에너지 (Binding energy)

화학종 간의 결합하고 있는 정도. 결합 에너지가 클수록 강하게 결합하고 있다.

[붙임] 그림설명

그림1. 유기 전극의 전해질에 따른 용출 거동 차이

일반 전해질에서의 유기 전극 (좌) 와 신규 전해질(LHCE)에서의 유기 전극 (우) 용출을 정도 차이를 표현한 그림

그림2. 유기 전극의 용출 정도와 전지 성능 비교 및 평가

(a) 방전된 유기 전극을 각 전해질에 일정 시간 담가 두었을 때의 용해 정도 비교 사진. (b) (a)의 용액과 UV-Vis 분광기를 활용한 용출 정도의 정량 분석. (c) 유기 전극 기반 전지의 전해질 별 사이클 성능 평가 결과. (d) 각 전해질을 이용해 유기 전극을 100 사이클 돌린 이후의 전극 표면 사진. (LCE: low concentration elecrolyte, HCE: high concentration electrolyte, LLCE: localized low concentration electrolyte, LHCe: localized high concentration electrolyte)