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조민행 IBS 연구단장 연구팀, 발화 위험 없는 차세대 리튬이온전자 핵심 원리 규명

작성자 : Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics 등록일 : 2021-12-01 조회수:2839

조민행 IBS 연구단장 연구팀, 발화 위험 없는 차세대 리튬이온전자 핵심 원리 규명

 


초고농도 수계 전해질의 용매화 구조 (사진제공=IBS)


[뉴스웍스=문병도 기자] 리튬이온전지는 스마트폰, 노트북 등 대부분의 소형전자기기에 사용된다. 상용 리튬이온전지는 가연성 유기용매를 용매로 사용하기 때문에 발화 가능성이 있다.

국내 연구진이 수계 전해질 리튬이온전지의 성능을 향상시킬 단초를 마련했다.

수계 전해질 리튬이온전지는 안정성이 매우 뛰어나 기존 리튬이온전지의 대체재로 주목받고 있다.

조민행 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단장 연구팀은 이호춘 대구경북과학기술원(DGIST) 교수팀과 공동으로 수계 전해질 리튬이온전지 속 물 분자의 상태와 리튬 이온 수송 속도 사이 상관관계를 규명했다.

수계 전해질을 고전압에서 사용하려면, 물이 높은 전압에서 전기 분해되지 않도록 염을 초고농도로 녹여야 한다.

이 경우 이론적으로는 전해질의 점도가 높아져 리튬 이온 수송을 방해한다. 하지만 실제로는 초고농도 전해질 리튬이온전지는 큰 점도에 대비 빠른 리튬 이온 수송이 가능한데, 이 메커니즘이 명확히 밝혀진 적은 없었다.

공동 연구진은 '적외선 들뜸 탐침 분광법'과 '유전체 이완 분광법'이라는 첨단 분광 기술을 이용해 염 농도에 따른 수계 전해질 속 물 분자의 거동을 관측했다.

연구진이 염 농도를 포화수준까지 높여가며 관측한 결과, 28몰랄농도(mol/kg‧용매 1kg에 녹아 있는 용질의 몰수를 나타낸 농도) 정도의 초고농도에서도 다른 물 분자와 수소결합을 가지는 물 분자가 상당량 존재하고 있음을 확인했다.


다른 물 분자와 수소결합을 하는 물 분자는 리튬 염의 음이온과 수소결합을 하는 물 분자보다 빠른 회전 동역학을 보여줬다. 회전 동역학이 빠르다는 것은 리튬 이온의 용매화 구조가 빠르게 변화하여 리튬 이온이 이동할 확률이 높다는 것을 의미한다.

김준규 연구원은 "초고농도 수계 전해질 속 물 분자에 대한 동역학을 분자 수준에서 설명한 첫 번째 연구 사례"라며 "적외선 들뜸 탐침 분광법을 적용해 각 물 분자의 수소 결합 파트너를 구분해낼 수 있었기에 가능한 발견"이라고 설명했다. 연구결과는 미국화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 'ACS 에너지 레터스' 지난달 26일자(한국시간) 온라인 판에 게재됐다.

한편 IBS는 '국제과학비즈니스벨트 조성 및 지원에 관한 특별법'에 따라 2011년 11월 설립됐다.

IBS는 지난 10년간 우리나라 기초과학 분야에서 부족했던 장기·대형·집단연구에 집중하며 과학지식의 새 지평을 열었다.

장기·안정 지원 철학과 좋은 연구 환경을 앞세워 세계적 과학자들을 한곳에 모았다. 2018년 본원의 전격적인 시작으로 본원-캠퍼스-외부연구단의 전국 연구소 시스템 구축한다.

세계적 인재와 인프라의 시너지로 인류에 유용한 지식을 발견했다. 그 동안 사스코로나바이러스-2 고해상도 유전자 지도 완성, 현생 인류의 최초 발상지와 이주 원인 규명, 우주 암흑물질 미스터리 검증, 크리스퍼 유전자 가위로 인간배아서 유전질환 유전자 교정, 세계 최초 무결점' 그래핀 제작 등의 성과를 거뒀다. 2016년, 세계적 학술지 네이처는 IBS를 '세계에서 가장 빠르게 성장하는 연구소, 라이징 스타' 11위로 선정하하기도 했다.



조민행(왼쪽부터) 연구단장, 곽경원 연구위원, 김준규 연구원, 이호춘 교수, 구본협 연구원 (사진제공=IBS)
조민행(왼쪽부터) 연구단장, 곽경원 연구위원, 김준규 연구원, 이호춘 교수, 구본협 연구원 (사진제공=IBS)



출처 : 뉴스웍스(http://www.newsworks.co.kr)