【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=리튬이온의 움직임만을 중심으로 설계돼 온 기존 배터리 기술의 틀을 국내 연구진이 정면으로 뒤집었다. 음이온의 이동을 정밀하게 설계함으로써 빠르면서도 오래 가는 차세대 배터리의 새로운 해법을 제시했다.
 ▲ 국부고농도전해질의 구성요소와 상호작용 및 그에 따른 DIB 구동시 단계별 영향성 ©포스텍 |
POSTECH(포항공과대학교) 화학과 박수진 교수와 김성호 박사 연구팀은 음이온과 희석제 간 상호작용을 제어해 초고속 충·방전과 전 온도 구동이 가능한 듀얼 이온배터리(Dual Ion Battery, DIB)용 전해액을 개발했다고 밝혔다.
이번 연구는 서강대학교, 서울대학교, 한국기초과학지원연구원(KBSI)과 공동으로 수행됐으며, 재료과학 분야 세계적 학술지인 Advanced Materials에 최근 게재됐다.
듀얼 이온배터리는 기존 리튬이온 배터리와 달리 양이온인 리튬이온과 음이온이 동시에 전극으로 이동해 에너지를 저장하는 구조를 갖는다. 리튬이온은 음극으로, 음이온은 양극의 흑연 층 사이로 삽입되며, 두 이온의 이동이 모두 원활해야 고성능 구현이 가능하다. 이에 따라 그동안 상대적으로 주목받지 못했던 음이온의 이동 방식이 배터리 성능의 핵심 변수로 떠올랐다.
연구팀은 전해액 내에서 음이온과 불소화 에테르계 희석제 사이의 미세한 상호작용에 주목했다. 컴퓨터 모사와 핵자기공명(NMR) 분석 결과, 음이온은 주 용매보다 희석제와 더 강하게 결합하지만 장시간 머무르지 않고 빠르게 분리되며 일종의 ‘순간적 네트워크’를 형성하는 것으로 확인됐다.
이러한 구조는 음이온의 이동 저항을 줄이고, 전극 표면에서 용매 탈착과 흑연 층 삽입 과정을 원활하게 만들어 고속 반응을 가능하게 한다.
이 전해액을 적용한 배터리는 혹독한 조건에서도 높은 안정성을 보였다. 매우 높은 전류에서 수천 회 충·방전을 반복해도 용량 저하가 거의 없었으며, 0℃ 인근의 저온부터 60℃ 고온에 이르는 넓은 온도 범위에서도 정상적으로 작동했다.
전극 표면에는 얇고 균일한 보호막이 형성돼 입자 균열과 저항 증가를 억제하는 효과도 확인됐다. 연구팀은 실험실용 코인셀뿐 아니라 전기차용과 유사한 파우치형 전지에서도 동일한 성능 경향을 재현해 실용화 가능성을 입증했다.
연구진은 이번 성과가 리튬이온 중심의 전통적 전해액 설계를 넘어, 음이온과 희석제를 포함한 전체 조성의 움직임을 함께 고려하는 새로운 배터리 설계 패러다임을 제시한 것이라고 평가했다.
해당 개념은 듀얼 이온배터리를 넘어 리튬 금속 배터리, 나트륨 이온전지 등 차세대 에너지 저장 기술 전반으로 확장될 수 있을 것으로 기대된다.
박수진 POSTECH 교수는 “초고속 충전과 장수명, 넓은 온도 범위를 동시에 만족시키는 차세대 배터리 구현의 핵심이 될 분자 설계 원리를 제시했다”며 “전기차와 에너지 저장장치 등 다양한 응용 분야에 실질적인 파급 효과가 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 RS-2023-NR077019 과제(‘계면 안정화를 통한 전기운송수단용 맞춤형 고에너지밀도 및 고안전성 전지 시스템 개발’)의 지원을 받아 수행됐다.
<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>
POSTECH Usheres in an Era of Ultra-Fast, Long-Life Batteries with 'Anion Design'
Dramatically Improved Dual-Ion Battery Performance by Controlling Invisible Anion Movement
Domestic researchers have overturned the existing battery technology framework, which has focused solely on lithium-ion movement. By precisely designing anion movement, they have presented a new solution for next-generation batteries that are both fast and long-lasting.
A research team led by Professor Park Soo-jin and Dr. Kim Seong-ho from the Department of Chemistry at POSTECH announced the development of an electrolyte for a dual-ion battery (DIB) capable of ultra-fast charging and discharging and full-temperature operation by controlling the interaction between anions and diluents.
This research, conducted jointly with Sogang University, Seoul National University, and the Korea Basic Science Institute (KBSI), was recently published in Advanced Materials, a world-renowned materials science journal.
Unlike conventional lithium-ion batteries, dual-ion batteries store energy by simultaneously transporting both positive and negative ions to the electrodes. Lithium ions are inserted into the negative electrode, while negative ions are inserted between the graphite layers of the positive electrode. Smooth movement of both ions is essential for high performance. Consequently, the movement of negative ions, previously relatively under-researched, has emerged as a key variable in battery performance.
The research team focused on the subtle interactions between negative ions and fluorinated ether diluents within the electrolyte. Computer simulations and nuclear magnetic resonance (NMR) analysis revealed that negative ions bind more strongly to the diluent than to the main solvent, but do not remain in the electrolyte for long periods, quickly separating, forming a kind of "transient network."
This structure reduces the resistance to negative ion movement and facilitates solvent desorption and graphite layer insertion at the electrode surface, enabling rapid reactions.
Batteries using this electrolyte demonstrated high stability even under harsh conditions. Even after thousands of charge-discharge cycles at very high currents, the device exhibited virtually no capacity degradation, and operated normally across a wide temperature range, from near 0°C to 60°C.
A thin, uniform protective film formed on the electrode surface, suppressing particle cracking and increased resistance. The research team demonstrated the same performance trends not only in laboratory coin cells but also in pouch-type batteries similar to those used in electric vehicles, demonstrating its potential for practical use.
The research team evaluated this achievement as suggesting a new battery design paradigm that goes beyond the traditional lithium-ion-centric electrolyte design and considers the overall composition, including anions and diluents.
This concept is expected to extend beyond dual-ion batteries to encompass next-generation energy storage technologies, including lithium metal batteries and sodium-ion batteries.
Professor Park Soo-jin of POSTECH stated, "We have presented a molecular design principle that will be key to the realization of next-generation batteries that simultaneously satisfy ultra-fast charging, long life, and a wide temperature range. This will have practical ramifications in diverse applications, including electric vehicles and energy storage devices." This research was supported by grant RS-2023-NR077019 ("Development of a Customized High-Energy-Density and High-Safety Battery System for Electric Vehicles Using Interface Stabilization").
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