차세대 유기 배터리 전극이 전해질 속으로 녹아 나오는 '용출 현상'의 원인을 국내 연구진이 규명했다.

울산과학기술원(UNIST)은 24일 에너지화학공학과 곽원진 교수팀이 한양대학교 기계공학과 최준명 교수팀과 공동연구를 통해 전해질 안에서 일어나는 용매와 양이온 간 강한 상호작용이 유기 배터리 전극의 용출 현상을 강화한다는 사실을 밝혀냈다고 밝혔다.

유기 배터리는 상용 배터리의 리튬, 니켈과 같은 금속 전극을 값싸게 공장에서 무한정 찍어낼 수 있는 유기물로 바꾼 차세대 이차전지다.

그러나 배터리 전극이 전해질 속으로 녹아 나오는 용출 현상이 심해 전지 수명이 짧다는 점이 상용화의 큰 걸림돌이 되고 있다. 이를 해결하기 위한 연구가 이뤄지고 있으나 정작 용출의 원인은 명확히 규명되지 않았다.

공동연구팀은 용매와 양이온 간 강한 상호작용이 공삽입(Co-intercalation)을 일으킨다고 설명했다. 전해질은 액체 용매에 음이온과 양이온이 녹아 있는 형태인데, 양이온이 전극 내부 미세구조로 들어갈 때 용매 분자까지 딸려 들어가는 현상이 공삽입이다. 

용매가 딸려 들어가면 전극 소재 내부의 미세구조가 벌어지면서 전극 물질이 쉽게 흘러나오게 된다. 상호작용이 약한 경우엔 양이온만 전극으로 들어가는 정상 삽입이 이뤄진다. 

연구팀은 양이온의 종류를 바꿔가며 실험한 결과와 용매·양이온 간 상호작용 에너지를 이론 계산한 결과를 비교 분석해 이 같은 사실을 밝혀냈다. 리튬, 나트륨, 칼륨 이온으로 바꿔 가며 실험한 결과 리튬 이온을 쓴 경우 전극 두께가 가장 얇아졌으며, 양이온과 용매 분자 간 상호작용 에너지도 가장 컸다.

곽원진 교수는 "전극 물질 용출이 단순히 용해도만이 아닌 전해질 내 상호작용과 그에 따른 메커니즘 변화에 기인한다는 것을 최초로 확인했다"며 "또 구체적인 전해질 설계 전략을 제시했다"고 말했다.

이런 연구 결과는 지난달 14일 발간된 나노과학 분야 국제 학술지 'ACS 나노'(ACS Nano)에 실렸다. 연구는 과학기술정보통신부 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받았다.