국내 연구진이 날씨가 추워지면 빨리 닳는 배터리의 성능저하 원인 규명을 앞당기고 있습니다. 
 
기초과학연구원(IBS) 조민행 분자 분광학과 동력학 연구단장(고려대 화학과 교수) 연구팀은 저온에서 리튬이온 배터리 전해액의 용매 구조를 상세히 밝히며 배터리 성능 저하 원인 규명에 한 걸음 다가섰습니다.

리튬이온 배터리는 크게 양극과 음극, 분리막, 전해액으로 구성되는데 음극에서 리튬원자는 리튬이온(Li+)과 전자로 분리되고, 전자는 배선을 따라 이동합니다. 

이것이 전기를 공급하는 전류입니다. 

이때 리튬이온은 전해액을 통해 양극으로 이동하고 양극에서 다시 전자와 결합하는데 온도가 떨어지면 리튬이온이 전해액에서 전극으로 이동하는 ‘탈용매화(desolvation) 과정’에서 배터리의 내부저항이 증가합니다.

탈용매화 과정의 초기 구조인 리튬이온 용매 구조를 명확하게 파악하는 것은 탈용매화 과정을 이해하고 더 나아가 저온에서의 배터리 성능 저하 문제를 해결하기 위한 첫 걸음입니다. 

리튬이온 용매 구조는 리튬이온이 전해액에 녹을 때(용매화) 리튬이온과 주변의 음이온 혹은 용매 분자들이 이루는 구조를 말하는데 지금까지는 리튬이온 용매 구조는 리튬이온을 중심으로 4개의 분자가 있는 4배위의 정사면체 구조(tetrahedral structure)를 이룬다는 것이 정설이었습니다.

연구진은 저온 상태의 리튬이온 구조를 규명하기 위한 연구를 시작해 저온 장치가 장착된 푸리에 적외선 분광기(FTIR) 푸리에 변환 적외선 분광기(FTIR)를 사용해 상온(26.85℃, 300K)부터 영하 33.15℃(240K)까지 온도를 변화시켜가며, 리튬이온 용매 구조와 이온화 과정을 관찰했습니다. 

그 결과 리튬이온 용매 구조는 정사면체에 국한되지 않고 용매 환경에 따라 3배위, 4배위, 5배위 등 다양한 구조를 가진다는 것을 확인했습니다. 

정사면체 구조로는 이해되지 않았던 실험들을 설명할 수 있는 결과를 얻은 것이라고 연구진은 설명했습니다. 

연구를 이끈 조민행 단장은 “이번 연구는 기존 리튬이온 용매 구조에 대한 지배적인 통념이 실제와 다르다는 것을 보여준 중요한 연구로 저온에서도 성능이 저하되지 않는 새로운 배터리를 설계하기 위한 중요한 단서를 제시했다는 의미가 있다”라고 말했습니다. 

연구결과는 미국화학회(ACS)에서 발행하는 국제학술지 ‘Journal of Physical Chemistry Letters’ 8월 18일자에 게재됐고 연구의 우수성을 인정받아 추가 표지논문(Supplementary Cover)으로 선정됐습니다.