리튬이온전지는 가라, 레독스전지가 온다

GIST, 고출력 고용량 레독스전지 개발
산화-환원 작용 이용해 전기 저장-방출
저렴-수명 길고 안전성 높아

국내 연구진이 저장용량이 적고 폭발 위험이 있는 리튬이온전지를 대체할 고용량 고출력 차세대 레독스 전지를 구현하는 데 성공했다.

a. 새로이 개발된 HSE에 최적화된 전기화학활성 (레독스 활성) 유기물 분자 2-[N,N,N-tris(2hydroxyethyl)]anthracenemethanaminum-9,10-dione bromide (AQM-Br) b. AQM-Br의 각 HSE 용액에서의 농도별 용해도 변화 그래프. p-TsOH 전해질 사용시 급격히 향상되는 용해도를 확인할 수 있음. ＜그림출처=GIST＞

광주과학기술원(GIST)은 유승준·홍석원 교수 공동연구팀이 레독스 활성 유기 분자의 성능을 크게 향상시키는 전해질을 개발해 고용량·고출력의 레독스 전지를 구현하는 데 성공했다고 16일 밝혔다.

오늘날 에너지저장시스템(ESS)에 널리 쓰이는 리튬이온전지는 수명이 짧고 배터리 과열로 인한 폭발위험이 있다. 다양한 대안이 연구되고 있는데, 상대적으로 저렴하고 수명이 긴데다가 폭발위험이 낮은 ‘레독스 전지’가 그중 하나다. 레독스(redox)는 환원(reduction)과 산화(oxidation)의 합성어다. 레독스 전지는 전해액 내의 활성물질이 ‘산화-환원’ 작용을 일으키며 전기를 전해액의 화학적 에너지로 저장하고 방출하는 전지를 말한다. 수계(물) 전해질을 이용하므로 배터리 과열로 인한 화재를 원천적으로 차단할 수 있다. 고출력이 가능한 슈퍼커패시터에 2차전지의 ‘산화-환원’의 에너지 저장·방출 메커니즘을 더해 용량을 극대화한 하이브리드 전지다.

연구팀이 만든 ‘하이드로트로프 지지전해질’을 이용하면 레독스 전지에 사용되는 유기분자의 용해도가 기존보다 6배 수준으로 대폭 향상돼 고용량 레독스 전지 개발이 가능해진다. 레독스 전지와 같은 전기화학 기반 ESS의 에너지 용량을 높이려면 고농도의 활성물질이 전해액에 용해될 수 있어야 한다. 그러나 활성물질 자체의 용해도가 낮거나, 이온전도도를 높이려고 지지전해질을 추가하면 용해도가 저하되는 문제점이 있었다.

연구팀은 물 분자와 쉽게 결합하지 않는 물질을 물에 잘 녹게 하는 ‘하이드로트로프’ 개념에 착안해, 하이드로트로프 구조를 가지면서 지지전해질로 작용하는 분자를 개발했다. 이 지지전해질로 활성물질의 용해도와 이온전도도를 동시에 향상시킬 수 있게 됐다. 하이드로트로프(Hydrotrope)란 물과 기름에 모두 친화적인 ‘양친성’을 가지는 저분자량 물질로, 기존의 계면활성제와는 달리 비정형의 나노구조를 통해 물에 잘 녹지 않는 물질의 수계 용해도를 향상시키는 것으로 알려진 분자구조를 총칭한다.

또, 연구팀은 이 지지전해질에 최적화된 레독스 활성 유기분자를 고안해 고농도의 전해액에서도 전지가 안정적으로 작동하게 했다. 고농도(0.5Mol/L) 전해액에서도 활성 유기분자는 안정적으로 작동했다. 현재까지 개발된 퀴논류(quinone) 기반 레독스 전지 중 최고 농도다.

최초로 핵 오버하우저 효과를 이용하는 핵자기공명 측정법을 도입해 하이드로트로프 전해질이 레독스 활성물질의 용해도를 높이는 물리화학적 원리를 규명했다. 하이드로트로프의 작용 메커니즘이 활성물질의 구조에 따라 다르게 일어나고 있음을 확인했으며 각 메커니즘에 최적화된 분자구조의 가이드라인을 제시했다. 분자간 핵 오버하우저 (Intermolecular nuclear overhauser) 효과란 서로 다른 분자에 존재하는 수소원자 간의 핵스핀 전달을 이용해 각 분자내 수소 원자 간의 거리를 측정하는 방법이다.

유 교수는 “레독스 활성 유기분자의 고질적인 한계인 낮은 용해도를 향상할 수 있게 되어, 고용량·고출력 레독스 전지 개발뿐 아니라 다양한 분자구조의 에너지저장원 개발에도 성과가 있을 것으로 기대된다”며 “향후 액체를 에너지저장원으로 사용하는 장점을 활용하면 ESS 대형화와 같은 응용기술 개발에도 도움이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 유기화학 및 에너지 분야의 국제 저명 학술지인 ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)에 지난달 21일 실렸다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr