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추운 날씨에 성능 저하되는 배터리, 해결 실마리 찾았다

IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단, 저온에서도 성능 저하 없는 배터리 설계 단서 제시

▲ 영하의 추운 날씨에는 스마트폰 배터리가 유독 빨리 닳곤 한다. IBS 연구진은 리튬이온 배터리 전해액의 용매 구조를 면밀히 관찰한 결과, 기존 알려진 것과 다른 구조를 가짐을 밝혀냈다. 출처: Flickr
▲ 영하의 추운 날씨에는 스마트폰 배터리가 유독 빨리 닳곤 한다. IBS 연구진은 리튬이온 배터리 전해액의 용매 구조를 면밀히 관찰한 결과, 기존 알려진 것과 다른 구조를 가짐을 밝혀냈다. 출처: Flickr


추운 날씨에 스마트폰을 사용하다보면 배터리가 유독 빨리 닳곤 한다. 이 원인은 아직 분자 수준에서 명확히 규명되지는 않았다. IBS 연구진은 저온에서의 배터리 성능 저하 문제를 해결할 단서를 발견했다. 온도에 따른 리튬이온 배터리 전해액의 용매 구조를 관찰했더니, 기존 알려진 것과 다른 구조를 가짐을 확인한 것이다.

리튬이온 배터리는 크게 양극과 음극, 분리막, 전해액으로 구성된다. 음극에서 리튬원자는 리튬이온(Li+)과 전자로 분리되고, 전자는 배선을 따라 이동한다. 이것이 전기를 공급하는 전류다. 이때 리튬이온은 전해액을 통해 양극으로 이동하고, 양극에서 다시 전자와 결합한다. 리튬이온이 전해액에서 전극으로 이동하는 것을 ‘탈용매화 과정’이라 한다.

연구진은 탈용매화 과정의 시작 단계인 리튬이온 용매 구조를 분석했다. 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.


▲ 리튬이온 배터리 전해액의 구조. 출처: IBS
▲ 리튬이온 배터리 전해액의 구조. 출처: IBS


연구진은 상온(26.85℃, 300K)부터 영하 33.15℃(240K)까지 온도를 변화시켜가며, 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.

연구를 이끈 조민행 단장은 “이번 연구는 기존 리튬이온 용매 구조에 대한 지배적인 통념이 실제와 다르다는 것을 보여준 중요한 연구로 저온에서도 성능이 저하되지 않는 새로운 배터리를 설계하기 위한 중요한 단서를 제시했다는 의미가 있다”고 말했다.

연구결과는 미국화학회(ACS)에서 발행하는 국제학술지 ‘Journal of Physical Chemistry Letters’ 8월 18일자에 게재되었으며, 연구의 우수성을 인정받아 추가 표지논문(Supplementary Cover)으로 선정됐다.

IBS 홍보팀
권예슬

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    최종수정일 2022-01-10 13:15