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추운 날씨에 취약한 배터리…해결위한 실마리 찾았다


IBS 연구팀, 저온에서도 성능 저하 없는 새로운 배터리 설계 위한 단서 제시

[아이뉴스24 정종오 기자] 추운 날씨에 스마트폰을 사용하다보면 배터리가 빨리 닳곤 하는 경험을 많이 한다. 배터리 내부저항이 증가하며 배터리 용량이 감소하기 때문이다. 아직 명확한 원인이 분자 수준에서 규명되지는 않았다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 조민행 분자 분광학과 동력학 연구단장(고려대 화학과 교수) 연구팀은 저온에서 리튬이온 배터리 전해액의 용매 구조를 상세히 밝혀 배터리 성능 저하 원인 규명에 한 걸음 다가섰다.

리튬이온 배터리는 크게 양극과 음극, 분리막, 전해액으로 구성된다. 음극에서 리튬원자는 리튬이온과 전자로 분리된다. 전자는 배선을 따라 이동한다. 이것이 전기를 공급하는 전류다.

IBS 연구팀은 리튬이온 배터리에서 탈용매화 과정의 시작 구조인 리튬이온 용매 구조와 리튬염이 리튬이온으로 분리되는 이온해리 과정을 관찰했다. 그 결과 기존 통념과 달리 리튬이온 용매 구조가 환경에 따라 다양할 수 있음을 알아냈다. [사진=IBS]
IBS 연구팀은 리튬이온 배터리에서 탈용매화 과정의 시작 구조인 리튬이온 용매 구조와 리튬염이 리튬이온으로 분리되는 이온해리 과정을 관찰했다. 그 결과 기존 통념과 달리 리튬이온 용매 구조가 환경에 따라 다양할 수 있음을 알아냈다. [사진=IBS]

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

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

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

최근 리튬이온 용매 구조가 정사면체라는 정설로 설명할 수 없는 실험결과들이 잇따라 나오고 있다.

연구팀은 저온 상태의 리튬이온 구조를 규명하기 위한 연구를 시작했다. 연구팀은 저온 장치가 장착된 푸리에 적외선 분광기(FTIR)를 사용해 상온(26.85℃, 300K)부터 영하 33.15℃(240K)까지 온도를 변화시켰다. 리튬이온 용매 구조와 이온화 과정을 관찰했다.

그 결과, 리튬이온 용매 구조는 정사면체에 국한되지 않고 용매 환경에 따라 3배위, 4배위, 5배위 등 다양한 구조를 가진다는 것이 확인됐다. 정사면체 구조로는 이해되지 않았던 실험들을 설명할 수 있는 결과를 얻은 것이다.

조민행 단장은 “이번 연구는 기존 리튬이온 용매 구조에 대한 지배적 통념이 실제와 다르다는 것을 보여준 중요한 연구로 저온에서도 성능이 떨어지지 않는 새로운 배터리를 설계하기 위한 중요한 단서를 제시했다는 의미가 있다”며 “후속 연구로 전해액에 첨가제가 있는 상황까지 반영해 리튬이온 용매 구조를 자세히 파악하기 위한 연구를 수행 중”이라고 말했다.

연구결과(논문명: Lithium-Ion Solvation Structure in Organic Carbonate Electrolytes at Low Temperatures)는 미국화학회(ACS)에서 발행하는 국제학술지 ‘Journal of Physical Chemistry Letters)’ 8월 18일자에 실렸다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)






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