배상현 기자 = 지스트(광주과학기술원)는 유승준 교수와 홍석원 교수 공동연구팀이 레독스 활성 유기분자의 성능을 크게 향상시키는 전해질을 개발해 고용량·고출력의 레독스 전지를 구현하는데 성공했다고 16일 밝혔다.
현재 에너지저장시스템(ESS)에 널리 쓰이는 리튬이온전지는 수명이 짧고 배터리 과열로 인한 폭발위험이 있어 다양한 소재의 전지가 연구되고 있다.
상대적으로 저렴하고 수명이 긴데다가 폭발위험이 낮은 ‘레독스 전지’도 그 중 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.
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 에너지저장시스템(ESS)의 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.
또 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.
신소재공학부 유승준 교수는 “이번 연구성과로 레독스 활성 유기분자의 고질적인 한계인 낮은 용해도를 향상할 수 있게 돼 고용량·고출력 레독스 전지 개발뿐 아니라 다양한 분자구조의 에너지저장원 개발에도 성과가 있을 것으로 기대된다”며고 말했다.
이번 연구는 신소재공학부 유승준 교수가 주도하고 화학과 홍석원 교수가 공동 교신저자로 참여했으며 변진환 박사과정생, 고진혁 석사과정생이 공동 제1저자로 수행했다.
과학기술정보통신부·한국연구재단의 개인기초연구 사업의 지원을 받았으며, 전기화학 및 에너지 분야의 국제 저명 학술지인 ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)에 4월 21일 게재됐다.
