리튬 이온 배터리를 향상시킬 수 있는 전해질에 대한 새로운 연구

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-29

전자장치에 이용되는 리튬 이온 배터리는 전기 자동차에 전력을 공급하거나 그리드(grid)의 전기 에너지를 저장하기 위해서 더 향상될 필요가 있다. 버클리 국립연구소(Berkeley Lab)의 연구진은 액체 전해질을 더 잘 이해할 수 있는 새로운 방법을 개발했는데, 이것은 리튬 이온 배터리의 성능을 향상시킬 수 있을 것이다. 이번 연구진은 리튬 전해질에 대한 X-선 흡수 분광 연구를 최초로 수행하였다. “리튬 이온 배터리 속의 중요한 공정 중의 하나는 전극 간의 리튬 이온의 전달"이라고 Richard Saykally 교수가 설명했다. “상용 리튬 이온 배터리는 알킬 카보네이트(alkyl carbonate) 용매 시스템 속에 용해된 리튬 염으로 구성된 액체 전해질을 포함한다. 이런 용액 속의 리튬 이온의 국부적인 용매화 환경에 대한 다양한 가설이 존재한다. 그러나 중요한 점은 그들이 음극 전극으로 이동할 때 이온의 용매화로 인해서 전력 공급을 제한한다는 것”이라고 Saykally 교수가 말했다.  이전의 계산적인 시뮬레이션은 전해질 속의 리튬 이온의 사면체 용매화 구조를 예측했지만, 이번 연구진에 의한 새로운 연구는 이런 경우에 이것이 발생하지 않는다는 것을 증명했다. “우리의 연구결과는 4.5의 용매화 수(solvation number)를 가진다는 것을 보여주었는데, 이것은 리튬 이온이 비-사면체 용매화 구조를 가진다는 것을 의미했다”고 리튬-배터리의 전문가인 Harris가 말했다. “이것은 이온쌍의 출현에 따라서 2 또는 3의 용매화 수를 가진 사면체 배위 구조에 대한 수많은 이론적 연구들과 모순되는 결과이다. 이 연구를 기반으로 해서, 더 나은 전해질을 디자인할 수 있을 것이고 차세대 컴퓨팅 모델은 사면체 배위 구조 이외의 다른 구조도 계산할 수 있게 될 것”이라고 Harris가 덧붙였다.  리튬 이온 배터리는 20세기의 위대한 발명 중의 하나이다. 현재의 리튬 이온 배터리는 휴대폰, 태블릿, 랩톱, 기타 휴대용 전자장치의 전원으로서 수십억 달러의 시장을 가지고 있다. 그러나 고가, 불충분한 에너지 밀도, 긴 충전 시간, 짧은 사이클 수명 시간 등의 심각한 단점들은 풍력과 태양 에너지원과 함께 사용될 수 있는 효율적인 전기 에너지 저장 시스템과 전기 자동차에 리튬 이온 배터리의 적용을 방해한다. 이것은 리튬 이온 배터리가 전기 자동차와 대규모 에너지 저장에 적용하기 위해서 액체 전해질 속의 향상이 필수적이지만, 대부분의 리튬 이온 배터리 연구는 전극과 고체 전해질 계면에 집중되었다. 이것은 필요한 실험 특히 X-선 분광기의 기능 부족 때문이다. 이러한 문제는 두 개의 액체 샘플들이 단지 몇 마이크로미터의 지름을 가진 미세한 실리콘 노즐을 통해서 빠르게 혼합되고 유동되는 독특한 액체 마이크로제트(microjet) 기술의 개발로 해결되었다. 이렇게 생성된 액체 빔은 교차되기 전에 진공 챔버 속을 몇 센티미터를 이동한 후에 수집되고 농축된다. 이런 액체 마이크로제트 시스템은 버클리 국립 연구소의 ALS(Advanced Light Source)의 Beamline 8.0.1에서 수행되었다. Beamline 8.0.1은 X-선 분광에 최적화된 X-선 빔을 생성하는 높은 플럭스의 교번자장기 빔 라인(undulator beamline)이다. “우리의 액체 마이크로제트 시스템을 ALS에서 작동하기 위해서, 우리는 프로필렌 카보네이트 속에 리튬 테트라플루오로붕소산염(lithium tetrafluoroborate)을 조사하는데 X-선 흡수 분광법을 사용했다”고 Saykally가 말했다. “X-선 흡수 분광법은 비점유된 전자 상태의 원자 특정된 코어-수준의 분광 탐침을 할 수 있다. 이것은 표적 원자의 분자 내 및 분자 간의 환경에 동시에 매우 민감하다”고 Saykally가 언급했다.  XAS 실험 스펙트럼은 NERSC(National Energy Research Scientific Computing Center)의 슈퍼컴퓨터로 수행된 밀도 함수 이론 스펙트럼 시뮬레이션과 분자 동역학을 통해서 해석되었다. 이 연구결과는 저널 Physical Chemistry Chemical Physics에 “X-Ray absorption spectroscopy of LiBF4 in propylene carbonate: a model lithium ion battery electrolyte”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1039/C4CP03240C). 그림. 제1원리 전자 구조 계산을 사용하는 X-선 흡수 스펙트럼은 프로필렌 카보네이트 속의 리튬 이온의 용매화에 새로운 통찰력을 제공한다. noname011.bmp http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38535.php