도쿄대, 리튬배터리 전해질 안정화 새 메커니즘 발견

도쿄대학 연구팀은 리튬 금속 배터리에서 리튬 금속 전극과 전해질을 안정화하는 새로운 메커니즘을 발견했다. 기존의 동역학적 접근 방식에 의존하지 않는 이 새로운 메커니즘은 배터리의 에너지 밀도를 크게 향상시켜 무게나 부피에 비해 저장된 에너지의 양을 증가시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

연구팀의 연구 결과는 저널 네이처 에너지(Nature Energy)에 게재되었다.
리튬 금속 배터리는 고에너지 밀도 저장 시스템에 대한 요구 사항을 충족시킬 가능성이 있는 유망 기술이다. 그러나 이러한 배터리의 끊임없는 전해질 분해로 인해 쿨롱 효율(Coulombic efficiency)이 낮다. 전류 효율이라고도 하는 쿨롱 효율은 전자가 배터리에서 전송되는 효율을 나타낸다. 따라서 쿨롱 효율이 높은 배터리는 배터리 수명이 더 길다.

도쿄대 화학시스템공학과 야마다 아쓰오(Yamada Atsuo) 교수는 “데이터 사이언스를 도입해 추출한 리튬-메탈 배터리 전해질을 설계하기 위한 지표로 전극 전위와 관련 구조적 특징을 제시한 최초의 논문이다. 이 지표는 전산 계산과 결합된 데이터 과학을 도입하여 추출한다. 우리 연구 결과를 바탕으로 높은 쿨롱 효율을 가능하게 하는 몇 가지 전해질이 쉽게 개발되었다”고 설명했다. 이 팀의 연구는 리튬 금속 배터리용 차세대 전해질 설계에 새로운 기회를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

리튬 이온 배터리에서 리튬 이온은 충전 중에 전해질을 통해 양극에서 음극으로 이동하고 방전 시에는 다시 돌아온다. 고에너지 밀도 전극을 도입해 배터리의 에너지 밀도를 높일 수 있다. 이러한 맥락에서 지난 수십 년간 흑연 음극을 리튬 금속으로 변경하기 위한 많은 연구가 진행되었다. 그러나 리튬 금속은 반응성이 높아 표면의 전해질을 감소시킨다. 이로 인해 리튬 금속 전극은 낮은 쿨롱 효율을 보인다.

이 문제를 극복하기 위해 과학자들은 표면 보호막을 형성하는 기능성 전해질 및 전해질 첨가제를 개발했다. 이 고체 전해질 계면은 리튬 배터리의 안전성과 효율성에 영향을 미친다. 표면 보호막은 전해질과 리튬 금속 전극 사이의 직접적인 접촉을 방지하여 전해질 환원을 속도론적으로 늦춘다. 그러나 지금까지 과학자들은 고체 전해질 계면과 쿨롱 효율 사이의 상관관계를 완전히 이해하지 못했다.

과학자들은 고체 전해질 계면의 안정성을 개선하면 전해질 분해를 늦출 수 있고 배터리의 쿨롱 효율이 증가한다는 것을 알고 있다. 그러나 첨단 기술을 사용하더라도 과학자들은 고체 전해질 계면 화학을 직접 분석하는 것이 어렵다는 것을 알게 되었다. 고체 전해질 계면에 대한 대부분의 연구는 간접적인 방법론으로 수행되었다. 이러한 연구는 간접적인 증거를 제공하므로 높은 쿨롱 효율로 이어지는 전해질 안정화 리튬 금속 개발을 어렵게 만든다.

연구팀은 특정 전해질 시스템에서 리튬 금속의 산화-환원 전위를 높일 수 있다면 전해질을 줄이기 위한 열역학적 추진력을 감소시켜 더 높은 쿨롱 효율을 달성할 수 있을 것으로 판단했다. 이 전략은 리튬 금속으로 배터리를 개발하는 데 거의 적용되지 않았다. 야마다 아쓰오는 "전해질에 따라 크게 달라지는 리튬 금속의 열역학적 산화-환원 전위는 리튬 금속 배터리 성능에 영향을 미치는 단순하지만 간과된 요소"라고 설명했다.
연구팀은 74종의 전해질에서 리튬 금속의 산화-환원 전위를 연구했다. 연구진은 국제 순수·응용 화학 연합(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)이 권장하는 전극 전위 내부 표준으로 페로센이라는 화합물을 모든 전해질에 도입했다. 연구팀은 리튬 금속의 산화 환원 전위와 쿨롱 효율 사이에 상관관계가 있음을 증명했다. 그들은 리튬 금속의 산화-환원 포텐셜을 상향 이동시켜 높은 쿨롱 효율을 얻었다.

국제 순수·응용 화학 연합은 1919년에 설립된 화학자들의 국제 학술기관이다. 각국의 화학 학회가 회원으로 소속되어 있으며 대한민국의 대한화학회도 소속되어 있다. 국제학술회의를 구성하는 조직의 하나이다. 원소명의 화합물에 대한 국제 표준을 제정한 조직으로 유명하다.

향후 연구를 내다보며 연구팀의 목표는 산화-환원 전위 이동의 합리적인 메커니즘을 보다 자세히 밝히는 것이다. 야마다 아쓰오는 “우리는 99.95% 이상의 쿨롱 효율을 보장하는 전해질을 설계할 것이다. 리튬 금속의 쿨롱 효율은 고급 전해질을 사용해도 99% 미만이다. 그러나 리튬 메탈 기반 배터리의 상용화를 위해서는 최소 99.95% 이상이 필요하다”고 말했다.

이 연구는 나고야 공과 대학과 공동으로 수행되었다.

이 웹사이트의 배터리 섹션을 간단히 살펴보면 상업용 리튬 금속 배터리를 얻기 위해 전 세계적으로 엄청난 노력이 있음을 알 수 있다. 지금까지 제조업체가 기꺼이 생산 라인을 구축할 만큼 성숙한 기술은 없없다.

그러나 장점은 많고 인상적이다. 제조업체를 멈추게 하는 것은 덴드라이트 문제일 가능성이 높다. 이러한 성장은 종종 끔찍한 결과를 초래하는 배터리를 단락시킨다.

리튬 금속 화학이 시장의 최고가 되는 날이 올 것이라고 확신할 수 있다. 아마도 다양한 개념의 조합으로 작업을 완료할 수 있다. 시간도 많이 걸리고 돈도 많이 든다.

그러나 일단 자신감이 생기면 투자가 시작되고 경쟁 기술이 있으므로 소비자가 사용하기에 훨씬 더 나은 배터리가 있을 것이다.


김세업 글로벌이코노믹 기자