온도에 따른 리튬이온 용매 구조 분석
저온 성능 저하 없는 배터리 설계 제시
기초과학연구원(IBS)은 조민행 분자 분광학 및 동력학 연구단장 연구팀이 추운 날씨에 스마트폰 배터리가 빨리 닳는 원인을 규명했다고 13일 밝혔다.
리튬이온 배터리는 저온에서 성능저하 문제가 있었다. 리튬이온 배터리는 양극과 음극 등으로 구성된다. 리튬원자는 음극에서 리튬이온(Li+)과 전자로 분리되고 전자는 배선을 따라 이동하는데, 이것이 전기를 공급하는 전류다.
리튬이온은 전해액을 통해 양극으로 이동하고, 양극에서 다시 전자와 결합한다. 이때 온도가 떨어지면 리튬이온이 전해액에서 전극으로 이동하는 '탈용매화'가 발생하고 배터리의 내부 저항이 증가한다.
탈용매화 과정의 초기 구조인 리튬이온 용매 구조를 명확하게 파악하는 것은 탈용매화 과정을 이해하고 저온에서의 배터리 성능 저하 원인을 밝히는 첫 걸음이다.
IBS 연구진은 저온에서 리튬이온 배터리 전해액의 용매 구조를 통해 배터리 성능 저하 원인을 규명했다. 연구진은 저온 장치가 장착된 푸리에 적외선 분광기를 사용해 상온부터 영하 33.15℃까지 온도를 변화시키며 리튬이온 용매 구조와 이온화 과정을 관찰했다.
그 결과, 리튬이온 용매 구조는 정사면체에 국한되지 않고 용매 환경에 따라 3배위, 4배위, 5배위 등 다양한 구조를 가진다는 것을 확인했다. 저온에서도 성능이 저하되지 않는 새로운 배터리 설계를 위한 중요한 단서를 제시한 것이다.
조민행 단장은 "저온에서도 성능이 저하되지 않는 새로운 배터리를 설계하기 위한 중요한 단서를 제시했다는 의미가 있다"며 "후속 연구로 전해액에 첨가제가 있는 상황까지 반영해 리튬이온 용매 구조를 면밀히 파악하기 위한 연구를 수행 중"이라고 말했다.
한편 이번 연구결과는 국제학술지 'Journal of Physical Chemistry Letters(IF 6.888)' 8월 18일 자에 게재됐으며 추가 표지논문(Supplementary Cover)으로 선정됐다.