광주과학기술원(GIST)은 유승준 신소재공학부 교수와 홍석원 화학과 교수팀이 공동으로 레독스 활성 유기분자 성능을 크게 향상시키는 전해질을 개발, 고용량·고출력 레독스 전지를 구현했다고 16일 밝혔다.
레독스 전지는 전해액 내의 활성물질이 ‘산화-환원’ 작용을 일으키며 전기를 전해액 화학적 에너지로 저장하고 방출한다. 리튬이온전지에 비해 저렴하고 수명이 긴데다가 폭발 위험이 낮다. 레독스 전지와 같은 전기화학 기반 에너지저장장치(ESS) 에너지 용량을 높이려면 고농도 활성물질이 전해액에 용해될 수 있어야 한다. 하지만 활성물질 자체 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 ‘하이드로트로프 지지전해질’을 개발했다. 이 지지전해질로 활성물질의 용해도와 이온전도도를 동시에 향상시킬 수 있게 됐다. 레독스 전지에 사용하는 유기분자 용해도가 기존보다 6배 수준으로 대폭 향상돼 고용량 레독스 전지를 개발할 수 있다.
연구팀은 하이드로트로프 지지전해질에 최적화된 레독스 활성 유기분자를 고안해 고농도의 전해액에서도 전지가 안정적으로 작동하도록 했다. 현재까지 개발된 퀴논류(quinone) 기반 레독스 전지 중 최고 농도(0.5㏖/ℓ) 전해액에서도 활성 유기분자는 안정적으로 작동했다.
특히 연구팀은 관련 분야에서는 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 분자구조 가이드라인을 제시했다.
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 기대한다”며 “향후 액체를 에너지저장원으로 사용하는 장점을 활용하면 ESS 대형화와 같은 응용기술 개발에도 도움이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 두 교수가 공동 교신저자로 참여했으며 변진환 박사과정생, 고진혁 석사과정생이 공동 제1저자로 수행했다. 과학기술정보통신부·한국연구재단의 개인기초연구 사업의 지원을 받았으며, 전기화학 및 에너지 분야의 국제 저명 학술지 ‘ACS 에너지 레터스’에 게재됐다.
김한식 기자 hskim@etnews.com
