새로운 고체상 이온전도체 '리튬 이온 컴온~'
새로운 고체상 이온전도체 '리튬 이온 컴온~'
  • 강지희
  • 승인 2019.04.09 06:35
  • 조회수 1009
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배터리 이미지. 출처: pixabay
배터리 이미지. 출처: pixabay

스마트폰을 포함한 스마트 기기와 사물인터넷, 그리고 전기자동차를 널리 사용할 수 있는 시대가 다가오고 있습니다. 연구원들은 이런 기기를 작동시킬 수 있는 '안전한 전원장치'를 만드는 연구에 집중하고 있습니다. 최근에는 '고안전성 전고체전지'와 '고에너지 리튬금속전지'가 차세대 전원장치로 급부상하고 있습니다. 여기에는 고체 상태이면서 리튬 이온을 비롯한 금속 이온을 전달할 수 있는 이온 전도체인 '고체상 이온전도체'가 쓰입니다.

 

이제는 이온전도체를 기존보다 우수한 성능으로 개발하는 것이 중요한 과제가 되었습니다. 기존의 고체상 이온전도체는 무기 황화물, 산화물 그리고 고분자 소재를 기반으로 하여 개발됐습니다. 하지만 이들은 이온 전달 효율성에 한계가 있죠.

 

최근에는 '다공성 및 결정성 구조체'가 새로운 이온전도체로 각광받고 있습니다. 이 구조체의 물질은 규칙적으로 배열된 채널을 통해 이온 흐름을 균일한 방향으로 유도할 수 있기 때문입니다. 하지만 기존 다공성 및 결정성 구조체는 채널 내에 리튬염이나 용매를 도입하거나 리튬염과 용매를 함께 도입해야만 이온 전도 특성을 나타낼 수 있다는 단점을 갖고 있습니다. 용매를 도입할 경우는 진정한 고체상 이온전도체가 될 수 없고, 리튬염을 도입할 경우는 음이온이 전극과 부반응을 일으켜 결과적으로 전지 성능을 저하시킬 수 있죠.

 

UNIST의 에너지 및 화학공학부 이상영·곽상규 교수 연구팀은 새로운 고체상 이온전도체를 개발했다고 합니다. 연구진이 개발한 이온전도체는 이온 통로가 쭉 뻗은 고속도로와 같이 생겨, 리튬 이온만 빠르게 이동할 수 있다고 합니다.

 

어떻게 개발했는가

연구진은 새로운 이온전도체를 고체 전해질로 활용했습니다. 출처: UNIST
연구진은 새로운 이온전도체를 고체 전해질로 활용했습니다. 출처: UNIST

현재 사용되는 리튬 이온 전지는 인화성 액체 전해질을 사용해 화재나 폭발 등에 취약한 단점을 갖고 있습니다. 그 대안으로 고체 전해질이 개발 중이지만 이온 전도가 액체 전해질보다 낮은 단점을 갖고 있습니다.

 

연구진은 유기 분자가 공유결합을 이룬 다공성 물질인 '공유결합형 유기골격 구조체'를 이온전도체로 활용했습니다. 이 물질 내부에는 규칙적으로 배열된 통로가 생기는데요. 이것을 리튬 이온만 다니도록 설계해 이온 전도의 성능을 비약적으로 높였다고 합니다.

유기 골격 구조체 채널을 통한 리튬 이온 이동 개념. 출처: UNIST
유기 골격 구조체 채널을 통한 리튬 이온 이동 개념. 출처: UNIST

또한, 연구진은 리튬 이온과 짝을 이룰 음이온성 단량체(monomer)를 사용해 유기 골격 구조체를 합성했습니다. 리튬 이온은 양이온이므로 음이온도 함께 이동합니다. 이런 음이온의 불필요한 이동은 전극 표면에 원치 않는 부(Negative)반응을 일으켜 전지성능을 낮추게 하죠.

 

연구진은 리튬 이온과 짝을 이룰 음이온성 단량체를 개발했습니다. 음이온을 리튬 이온이 지나다닐 경로의 일부분으로 고정했습니다. 그 결과 리튬 이온만 구조체의 통로로 이동하는 이상적인 흐름이 구현됐습니다. 연구진은 계산화학 실험을 통해 리튬 이온이 연구진이 개발한 이온전도체의 통로 내에서 줄지어진 산소 원자를 따라 최단거리로 이동했음을 이론적으로 규명했습니다. 

이상영 교수. 출처: UNIST
이상영 교수. 출처: UNIST

이상영 교수는 "이번 연구는 고체 이온전도체를 설계하는 새로운 방향을 제시해 전고체전지를 포함한 차세대 전지의 상업화에 꼭 필요한 '고성능 고체 전해질' 개발의 발판을 마련했다"며 "특히 폭발 위험이 있는 유기용매를 완전히 배제하면서 리튬 이온만 선택적으로 효과적으로 전달할 수 있다"고 강조했습니다. 또한 "이러한 이온전도체의 특성은 전고체전지의 전해질로 적합할 뿐 아니라 반응성 높은 리튬금속전극에서도 우수하게 활용될 수 있어 고에너지 배터리로 주목받는 리튬금속전지에도 활용 가능할 것"이라고 전망했습니다. 

 


##참고자료##

 


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