[뉴스웍스=문병도 기자] 국내 연구진이 수계 전해질 리튬이온전지의 성능을 향상시킬 단초를 마련했다. 수계 전해질 리튬이온전지는 안정성이 매우 뛰어나 기존 리튬이온전지의 대체재로 주목받고 있어 이번 연구결과가 어떤 영향을 미칠지 주목된다. 

조민행 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단장 연구팀은 이호춘 대구경북과학기술원(DGIST) 교수팀과 공동으로 수계 전해질 리튬이온전지 속 물 분자의 상태와 리튬 이온 수송 속도 사이 상관관계를 규명했다. 이에 따라 가연성 유기용매를 사용해 발화 가능성이 있는 리튬이온전지의 단점을 해소할 가능성이 높아졌다.

수계 전해질을 고전압에서 사용하려면, 물이 높은 전압에서 전기 분해되지 않도록 염을 초고농도로 녹여야 한다. 

공동 연구진은 '적외선 들뜸 탐침 분광법'과 '유전체 이완 분광법'이라는 첨단 분광 기술을 이용해 염 농도에 따른 수계 전해질 속 물 분자의 거동을 관측했다. 

연구진이 염 농도를 포화수준까지 높여가며 관측한 결과, 28몰랄농도(mol/kg‧용매 1kg에 녹아 있는 용질의 몰수를 나타낸 농도) 정도의 초고농도에서도 다른 물 분자와 수소결합을 가지는 물 분자가 상당량 존재하고 있음을 확인했다. 

다른 물 분자와 수소결합을 하는 물 분자는 리튬 염의 음이온과 수소결합을 하는 물 분자보다 빠른 회전 동역학을 보여줬다. 회전 동역학이 빠르다는 것은 리튬 이온의 용매화 구조가 빠르게 변화하여 리튬 이온이 이동할 확률이 높다는 것을 의미한다.

김준규 연구원은 "초고농도 수계 전해질 속 물 분자에 대한 동역학을 분자 수준에서 설명한 첫 번째 연구 사례"라며 "적외선 들뜸 탐침 분광법을 적용해 각 물 분자의 수소 결합 파트너를 구분해낼 수 있었기에 가능한 발견"이라고 설명했다. 연구결과는 미국화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 'ACS 에너지 레터스' 지난달  26일자(한국시간) 온라인 판에 게재됐다.

조민행 연구단장은 현대적인 초고속 분광기의 모형을 구축하고 새로운 분광학적 방법을 증명했다. 양자역학적 원리에 기반을 둔 광화학 분야부터 분광학 실험으로 연구의 지평을 넓혀간 선도적인 연구자로서 인정받고 있다.

IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단장연구단은 정밀한 분광학 및 이미징방법을 개발하여 화학 반응 및 생물학 중요 분자 시스템 분야에 응용하는 연구를 하고 있다. 시분해 분자 분광학, 분자 동력학 및 계산 화학 방법 연구, 광학 이미징 원리 규명 및 기술 개발, 분자 이미징 기술 개발 및 생체 분자에의 응용 연구를 진행하고 있다.