[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

리튬이온전지 및 리튬 금속 전지에서 전해질은 이온 수송을 담당하는 핵심 구성 요소로, 전지의 성능과 안전성을 좌우한다. 현재 상용 전지는 대부분 유기 액체 전해질에 의존하고 있으나, 이들은 휘발성·가연성·누액 위험을 내포하고 있으며 저온 환경에서는 점도 증가 및 동결로 인해 이온 전도도가 급격히 저하되는 한계를 가진다. 이러한 이유로, 무기 산화물·황화물 및 고분자 기반의 전고체 전해질이 대안으로 활발히 연구되어 왔다.

전고체 전해질은 일반적으로 원자 간 공유·이온 결합으로 이루어진 네트워크 고체로, 화학식에 의해 정의되는 반복 단위가 3차원적으로 확장된 구조를 갖는다. 이러한 네트워크 고체는 높은 기계적 강도와 비휘발성을 제공하지만, 제조 공정의 복잡성, 계면 저항, 취성 등의 문제가 여전히 상존한다. 반면, 분자 간 상호작용에 의해 형성되는 분자 고체(molecular solid)가 전해질로 작동할 수 있다는 가능성은 상대적으로 거의 탐구되지 않았다.

특히 배터리 분야에서는 “전해질이 얼어 고체화되면 이온 전도는 불가능하다”는 인식이 오랫동안 통념으로 자리 잡아 왔다. 실제로 상용 유기 전해질 혼합물은 동결 시 배터리 작동이 불가능하며, 저온 성능 저하는 리튬전지의 근본적 한계 중 하나로 여겨져 왔다. 다만 최근 수계 시스템에서는 얼음 상태에서도 제한적인 이온 전도가 가능하다는 보고가 등장하며, ‘얼어 있는 전해질’에 대한 재해석의 가능성이 제기되고 있다.

본 연구는 이러한 배경에서 출발하여, 유기 용매가 얼어 형성한 분자 고체 자체가 리튬 이온을 전달할 수 있는 전해질로 기능할 수 있는지를 근본적으로 규명하고자 한다. 이를 통해 전해질의 상(phase)에 대한 기존의 이분법적 인식을 넘어, 고체화된 유기 전해질을 새로운 이온 전도체로 활용하는 개념을 제시한다.

2.연구내용

본 연구에서는 대표적인 탄산염계 유기 용매인 에틸렌 카보네이트(EC)에 주목하였다. EC는 리튬전지에서 널리 사용되는 용매로, 특정 조성 및 조건에서 상온에서도 고체(얼음상)를 형성할 수 있다. 연구진은 EC 결정 구조 내에서 분자 배열과 수소 결합 네트워크를 기반으로 리튬 이온이 이동할 수 있는 잠재적 전도 경로가 존재할 것이라는 가설을 세우고, 이를 이론 계산과 실험을 통해 검증하였다.

그 결과, EC0.2T (0.2 m LiTFSI/EC) 조성의 전해질은 상온에서 고체 상태를 유지하면서도 약 0.64 mS cm⁻¹의 높은 이온 전도도와 리튬 이온 전달수(tLi⁺) 약 0.8을 나타냈다. 이는 잔존 액상에 의존한 전도가 아니라, 고정된 용매 분자로 이루어진 고체 매트릭스 내에서 리튬 이온이 호핑(hopping) 메커니즘을 통해 이동함을 시사한다.

라만 이미지 맵핑 및 열분석 결과, 해당 유기 얼음 전해질은 거시적으로는 고체이며 미시적으로는 고체 매트릭스가 연속적으로 퍼콜레이션(percolation)된 구조를 갖고, 액상은 고립된 포켓 형태로만 존재함이 확인되었다. 또한 전도 기여도 분석을 통해 전체 리튬 이온 전도의 약 70% 이상이 고체 경로에서 기인함을 정량적으로 도출하였다.

이러한 유기 얼음 전해질을 적용한 LFP‖Li 리튬 금속 전지는 400회 이상의 충·방전 사이클 동안 내부 단락 없이 안정적으로 작동하였다. 특히 얼음상 전해질은 용매와 음이온의 이동을 억제하여 부반응을 줄이고, 리튬 금속 표면에는 용매 유래 Li₂O 중심의 안정한 SEI를 형성함으로써 균일한 리튬 도금을 유도하였다.

3.기대효과

본 연구는 “고체화된 유기 전해질은 이온을 전달할 수 없다”는 기존의 고정관념을 깨고, 단일 유기 용매 분자로 이루어진 분자 고체가 전해질로 기능할 수 있음을 최초로 실증했다는 점에서 학문적 의의가 크다. 이는 무기·고분자 네트워크 고체에 국한되었던 전고체 전해질 개념을 분자 고체 영역으로 확장시키는 새로운 패러다임을 제시한다.

특히 본 연구에서 제안한 유기 얼음 전해질은 제조 공정이 단순하고, 특정 온도 범위에서는 고체 전해질로, 그 이상에서는 액체 전해질로 작동할 수 있는 이중 기능 전해질로의 확장 가능성을 지닌다. 이는 저온 환경에서의 배터리 작동, 안전성 향상, 리튬 금속 전지의 수명 연장에 기여할 수 있다.

궁극적으로 본 연구는 전해질 설계의 새로운 방향성을 제시하며, 탄산염을 넘어 다양한 유기 용매 기반 분자 고체 전해질로 개념을 확장함으로써 차세대 고안전·고신뢰성 배터리 기술 개발의 기반을 마련할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.리튬이온전지

리튬이온전지는 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 오가며 전기를 저장·방출하는 2차전지다. 충전 시 리튬 이온이 양극에서 음극(보통 흑연)으로 이동하고, 방전 시 다시 양극으로 돌아간다. 전기차와 스마트폰 등에 가장 널리 쓰인다.

2.리튬금속전지

리튬금속전지는 음극에 흑연 대신 리튬 금속을 직접 사용하는 전지다. 리튬이온전지가 흑연 내부에 리튬 이온을 저장하는 구조라면, 리튬금속전지는 충전 시 리튬 이온이 금속 형태로 음극 표면에 석출된다. 에너지 밀도를 30~50% 높일 수 있는 차세대 전지로 주목받지만, 리튬 금속과 액체 전해질의 높은 반응성과 수지상 성장으로 인한 안전성 문제가 상용화 과제로 남아 있다.

3.전해질

전해질은 배터리 내부에서 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동하는 통로 역할을 하는 물질이다. 리튬이온전지에서는 유기 용매에 리튬염을 녹인 액체 전해질을 사용한다. 리튬염이 물에 녹은 소금처럼 용매 속에서 이온 상태로 분리돼, 리튬 이온이 전극 사이를 이동할 수 있게 된다.

액체 전해질은 인화성이 있고 리튬금속과의 반응성이 커 수명 저하나 단락 위험을 일으킬 수 있어서, 보완하기 위해 산화물·황화물 기반 무기 고체나 고분자 재료로 만든 고체 전해질이 대안으로 연구되고 있다.

4.퍼콜레이션

무작위로 분포된 구조 안에서 입자나 통로가 서로 연결돼 전체를 관통하는 이동 경로가 형성되는 현상.

[붙임] 그림설명

그림설명. 얼음 전해질의 이온 전달 경로와 수지상 억제 효과

에틸렌 카보네이트 기반의 유기 얼음 전해질에서, 리튬 이온은 이웃한 산소를 징검다리처럼 활용해 건너뛰는 ‘호핑’을 통해 전달된다. (좌측) 이 유기 얼음 전해질을 리튬금속전지에 적용하면, 액체 전해질과 다르게 리튬금속이 리튬전극 표면에서 뾰족하게 돋아나는 수지상이 억제되고 균일한 리튬 코팅(전착)이 이뤄진다. 그 결과 단락 없이 400회 충·방전이 가능했다.