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『신기술 1』 세계최초, 배터리 성능 향상을 위한 기초연구와 원천기술
2024-01-09

세계최초, 배터리 성능 향상을 위한 기초연구와 원천기술
수전해질 및 리튬금속 전지 성능 혁신
청정 기술로 주목받고 있는 ‘차세대 수전해질 전지 개발’에 획기적인 연구성과가 발표되었다. ‘수전해질 전지’는 물을 용매로 사용하는 리튬이온전지이다. 수전해질 전지가 개발되면 화학적으로 안전한 물을 사용하기 때문에 인화성이 낮아 안정성이 높아지고 친환경적이다. 이런 가능성으로 인해 최근에는 전극 표면에 존재하는 물 분자들의 움직임을 포함하여, 전압에 따른 물 분자 움직임을 관찰하는 것은 전기화학적 반응을 이해하는 측면에서도 중요한 성과다. 또한 전기차의 주행거리를 크게 높일 수 있다는 것이 특징인 리튬금속은 전지의 수명과 안정성 확보를 어렵게 하는 `덴드라이트(Dendrite)’ 형성과 액체 전해액에 의한 지속적인 부식(Corrosion)이 발생하며 이는 기술적 난제였다. 이를 국내 공동연구진이 차세대 전지로 주목받고 있는 ‘리튬금속전지(Lithium metal battery)’의 성능을 획기적으로 늘릴 수 있는 원천기술을 개발했다.

정리 편집부
자료 IBS, KAIST, LG에너지솔루션

세계 최초, 전압에 따라 달라지는 물 분자 관찰
물 분자 움직임이 전압에 따라 어떻게 달라지는지 직접 관찰하는 것을 세계 최초로 성공했다. 기초과학연구원 분자 분광학 및 동력학 연구단 조민행 단장(고려대 화학과 교수) 연구팀은 미국 위스콘신 화학과 마틴 자니 (Martin T. Zanni) 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 전압 변화에 따른 금속 전극 표면의 물 분자 움직임을 펨토초 (fs·1000조 분의 1초) 단위에서 관찰하는 데 성공했다.

전압에 따른 물 분자 움직임을 관찰하는 것은 전기화학적 반응을 이해하는 측면에서도 중요하지만, 청정 기술로 주목받고 있는 ‘차세대 수전해질 전지 개발’에도 의미가 크다. ‘수전해질 전지’란 물을 용매로 사용하는 리튬이온전지를 말하는데, 수전해질 전지가 개발되면 화학적으로 안전한 물을 사용하기 때문에 인화성이 낮아 폭발의 위험성이 없다. 더 나아가 유독한 화학물질이나 비수용액 용매의 사용에 따른 환경오염의 위험도 크게 낮출 수 있다. 이런 가능성으로 인해 최근에는 전극 표면에 존재하는 물 분자들의 움직임을 포함하여, 전하 운반체 역할을 하는 이온 용매화1) 에너지 변화, 이온 탈용매화2) 현상, 그리고 산화-환원 반응3) 연구를 위해 다양한 분광학적 방법이 활용되고 있다.
 
그러나 기존 방법으로는 전극 표면에 있는 극소량의 물 분자들을 직접 관찰하는 것이 거의 불가능했다. 크기가 매우 작은 분자들을 관찰하기 위해 아주 짧은 레이저 광선을 조사한 뒤 분자들이 만들어내는 시그널을 시간에 따라 관찰하는 시분해 분광법이 널리 활용되었지만, 금속 표면 근처의 물 분자에 의한 신호보다 금속 전극 그 자체가 만들어내는 신호가 훨씬 크기 때문에 물 분자 움직임만을 선택적으로 측정 연구하는 것이 대단히 어려웠다.

국제 공동 연구팀은 정교하게 설계된 화합물을 금(Au) 전극 표면에 흡착시킨 후 그 탐침 분자에 대한 2차원 진동 분광학 측정과 동시에 분자 동력학 시뮬레이션 방법을 시행했다. ‘2차원 진동 분광학’은 연구 대상 물질에 짧은 레이저 빛을 가한 후 시간에 따라 변화하는 2차원 신호를 분석함으로써 분자의 구조 및 움직임을 탐지하는 방법이다. 그리고‘분자 동력학 시뮬레이션’은 컴퓨터를 이용하여 물질을 이루는 원자들의 움직임에 대한 운동방정식을 풀어 물질 내의 원자와 분자들의 움직임을 예측하는 방법이다. 연구팀은 이 2가지 방법을 접목하여 물 분자와 금속 표면에 흡착된 유기 분자간의 상호 작용인‘수소결합’의 구조 및 물 분자 움직임을 실시간 관찰했다.

또한 전극에 가해주는 전압 크기와 부호에 따라 물 분자의 움직임이 달라지는 특이한 현상도 처음으로 확인할 수 있었다. 양의 전압을 가하면 물 분자의 움직임이 느려지고, 음의 전압을 가하면 빨라지는 것과 함께 그 변화의 정도가 전압의 크기에 비례하는 것도 관찰할 수 있었다. 이 결과는 전극 표면에 존재하는 물의 산화 환원 반응 역시 물 분자 움직임과 밀접한 관계가 있을 수 있다는 것을 의미한다.

분자 분광학 및 동력학 연구단 소속의 공동저자인 곽기정 연구원은 “순수한 물에 더해 다양한 이온들이 공존하는 상황에서의 전기화학적 계면 현상도 연구할 계획”이라고 말했다. 조민행 단장은 “전기화학반응을 이해하는데 중요한 정보를 제공하는 연구 결과이며, 향후 수전해질을 이용한 배터리 개발 및 응용에 필요한 물리화학적인 통찰을 제시했다”라고 말했다. 연구결과는 국제학술지 ‘미국국립과학원회보(Preceedings of the national acacemy of sciences, IF 11.1)’에 게재될 예정이다.4)




리튬금속전지 수명과 안정성 기술적 난제 해결
리튬금속전지는 전기차의 주행거리를 크게 높일 수 있다는 것이 특징을 가지고 있다. 하지만, 리튬금속은 전지의 수명과 안정성 확보를 어렵게 하는 `덴드라이트(Dendrite)’ 형성과 액체 전해액에 의한 지속적인 부식(Corrosion)이 발생하여 기술적 해결이 필요하다. 
KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수와 LG에너지솔루션 공동연구팀이 차세대 전지로 주목받고 있는 `리튬금속전지(Lithium metal battery)’의 성능을 획기적으로 늘릴 수 있는 원천기술을 개발했다고 지난 7일 밝혔다.

공동연구팀은 1회 충전에 900 km 주행, 400회 이상 재충전이 가능한 리튬금속전지 연구 결과를 공개했다. 기존 리튬이온전지(Lithium-ion battery)의 주행거리인 약 600 km보다 50 % 높은 수준이다. 공동연구팀은 리튬금속전지의 구현을 위해 기존에 보고되지 않은 `붕산염-피란(borate-pyran) 기반 액체 전해액’을 세계 최초로 적용, 리튬금속 음극의 기술적 난제를 해결하고 그 근본원리를 규명했다.

간소화된 전지 시스템 설계 가능해져
붕산염-피란 전해액은 리튬금속 음극 표면에 형성된 수 나노미터 두께의 고체 전해질 층(Solid Electrolyte Interphase, SEI)를 치밀한 구조로 재구성함으로써 전해액과 리튬 간의 부식 반응을 차단한다. 이 `고체 전해질 층 재구성(SEI restructuring)’ 기술은 덴드라이트와 부식 문제를 동시에 해결해 리튬금속 음극의 충전-방전 효율을 향상하는 것은 물론, 기존보다 배터리 음극재와 전해액의 무게를 크게 줄일 수 있어 에너지 밀도(Energy Density)를 높일 수 있는 특징이 있다. 특히 이번 연구에서 구현된 리튬금속전지는 구동 시 높은 온도와 압력이 요구되지 않아, 전기차의 주행거리를 높이기 위한 간소화된 전지 시스템 설계가 가능하다

생명화학공학과 김희탁 교수는 “이번 연구는 지금까지 실현 불가능하다고 여겨진 액체 전해액을 기반으로 하는 리튬금속전지의 구현 가능성을 가시화한 연구”라고 말했다. 논문의 제1 저자인 권혁진 박사과정은 “리튬금속음극 계면의 나노스케일 제어를 통해 리튬금속전지의 한계를 극복할 수 있음을 보였다”라고 연구의 의미를 강조했다. 이 연구결과는 세계적인 학술지 `네이처 에너지(Nature Energy)’에 11월 23일자 온라인 게재했다.5)

이번 연구 성과는 카이스트와 LG에너지솔루션이 차세대 리튬금속전지 기술 개발을 위해 2021년 설립한 프론티어 연구소(Frontier Research Laboratory, FRL, 연구소장 김희탁 교수)를 통해 이뤄진 것이다. 이처럼 대학과 기업이 힘을 모아 배터리 기술의 혁신을 이뤄내고 있다.

연구자와의 인터뷰
연구 배경은
촉매 반응을 비롯한 중요한 전기화학적 반응들이 금속으로 된 전극의 표면에서 일어나고 있으며 전극 표면 근처의 용매 분자들이 이러한 반응 과정에 큰 영향을 미치고 있다. 하지만 전극에 가해주는 전압에 따라 용매 분자들의 움직임이 어떻게 영향을 받는지에 대한 실험 및 이론적 측정과 연구는 충분히 이루어지지 못했다. 본 연구에서는 금속 표면에 탐침 분자를 흡착시키고 2차원 진동 분광학 측정법을 사용하여 전극 가까이에 존재하는 물 분자들이 흡착된 탐침 분자들과 수소결합 형태의 상호작용을 하는 것을 측정하였다. 그 결과 금속 전극에 가해주는 전압에 따라 전극 가까이에 존재하는 물 분자들의 움직임이 두드러지게 달라짐을 직접 관찰할 수 있었다.

연구에서 어려웠던 점은
2차원 진동 분광학 측정법을 적용한 실험을 통해 측정된 스펙트럼 신호가 과연 금속 표면의 탐침 분자와 전극 가까이에 존재하는 물 분자 사이의 상호작용에 의한 것인지 아니면 탐침 분자 그 자체에 의한 것인지를 구분하는 것이 어려웠다. 그리고 분자 동력학적 모의계산으로 얻은 결과를 통계역학적으로 분석하는 것 역시 많은 노력을 필요로 했다.

다른 연구와의 차별성은 
기존에 실험적으로 접근이 아예 불가능했던 금속 전극 근처의 용매 분자들에 대한 동력학 연구, 특히 금속 전극에 일정한 전압을 가해줄 경우 그에 따라 전극 표면의 용매분자들이 어떻게 영향을 받는지를 직접 볼 수 있게 되었다는 점에서 매우 큰 기초과학적 진보를 이룰 수 있었다고 생각한다. 

앞으로 연구 계획은
본 연구는 금속 전극이 순수한 물과 접해 있는 경우에 대한 것이었다. 그러나 실제 배터리의 경우 용액 속에 다양한 금속 또는 비금속 양이온 음이온들이 녹아 있다. 따라서 금속 전극에 전압이 가해질 경우 표면에 존재하는 이온들의 농도가 달라질 것이고 그것이 물 분자들의 동력학에 어떤 영향을 미치는지 연구할 예정이다. 이는 수전해질 배터리의 개발에 밀접한 관련성이 있어서 기초 및 응용 과학의 관점에서 매우 중요하다.
1) 용매화 : 이온들이 용매에 녹을 때 주로 물리적인 힘이 작용하여 분자집단을 만드는 현상이다.
2) 탈용매화 : 용매화층을 제거하는 것. 물의 경우에는 탈수이다. 즉 건조 증발시키는 것이다. 
3) 산화-환원 반응 : 물질 간의 전자 이동이다.
4) 논문명 : The hydrogen-bonding dynamics of water to a nitrile functionalized electrode is modulated by voltage according to 2D IR spectroscopy/Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) / 저자: Matthew J. Ryan, Nan Yang, Kijeong Kwac, Kiera B. Wilhelm, Benjamin K. Chi, Daniel J. Weix, Minhaeng Cho (교신저자), Martin T. Zanni (교신저자).
5) 논문명 : Borate-pyran lean electrolyte-based Li-metal batteries with minimal Li corrosion / 네이처 에너지(Nature Energy) : 2023년 Clarivate Analytics가 발표한 Journal impact factor에서 에너지 분야 157개 학술지 중 1위, 총 2만 1천여 개 학술지 중 23위를 기록했다. 

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