세계 최초 화재·폭발 위험없는 '리튬이온전지' 개발
세계 최초 화재·폭발 위험없는 '리튬이온전지' 개발
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노트북, 스마트폰 등 전자·IT기기 핵심 부품
기초과학연구원, “가연성 유기용매 대신, 수계 전해질 사용”
(사진=기초과학연구원, Pixabay)
가연성 유기용매 제품 이미지 [기초과학연구원, Pixabay]

[중소기업투데이 조민혁 기자] 스마트폰, 노트북 등 대부분의 소형전자기기에 사용되는 리튬이온전지는 전자 및 IT산업의 핵심 재료로 꼽힌다. 그러나 이는 가연성 유기용매를 사용하는게 보통이어서, 자칫 화재나 폭발 사고가 일어나곤 한다. 간혹 스마트폰의 화재나 폭발 사고가 일어나는 것도 그 때문이다. 그런 가운데 그런 위험 요소를 배제한 새로운 대체 재료를 사용한 리튬이온전지가 최근 국내 연구진에 의해 개발되어 관심을 끌고 있다.

기초과학연구원은 최근 발화 위험이 있는 가연성 유기용매 대신 물을 사용한 ‘수계 전해질 리튬이온전지’를 개발했다. 연구원은 “물을 바탕으로 하는 수계 전해질 리튬이온전지는 안정성이 매우 뛰어나 기존 리튬이온전지의 대체재로 주목받고 있다.”고 연구의 취지를 밝혔다. 애초 수계 전해질을 고전압에서 사용하려면, 물이 높은 전압에서 전기 분해되지 않도록 염을 초고농도로 녹여야 한다. 이 경우 이론적으로는 전해질의 점도가 높아져 리튬 이온 수송을 방해한다.

이에 연구진은 첨단 분광 기술을 이용해 염 농도에 따른 수계 전해질 속 물 분자의 거동을 관측했다. 그 결과 “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.

이를 통해 IBS 연구진은 다른 물 분자와 수소결합을 하는 물 분자가 많을수록 리튬 이온의 수송 능력이 우수해짐을 규명했다. 특히, 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”는 연구원의 설명이다.

그러나 아직은 상용화에 이를 정도로 성능이 완벽하진 않다는 평가다. 그러나 이번에 연구원이 수계 전해질 리튬이온전지의 성능을 크게 향상시킬 방안을 마련했다. 연구원의 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구팀은 그 일환으로 ‘수계 전해질 리튬이온전지’의 물 분자의 상태와 성능의 관계를 규명하는데 성공했다.

연구진은 “적외선 들뜸 탐침 분광법을 활용해 물을 기반으로 하는 다양한 전해질의 미시적 특성 연구를 진행하고 있다”며 “리튬 이온의 수송을 촉진할 수 있는 차세대 리튬이온전지 설계를 위한 원천지식을 제시할 것으로 기대한다”고 밝혔다.


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