서강대학교 화공생명공학과 류재건 교수 연구팀, 물로 구동하는 배터리, 4성분계 수계 전해질 설계

▲ (좌측부터) 서강대학교 화공생명공학과 류재건 교수, 조연상 석박통합과정생

서강대학교(총장 심종혁) 화공생명공학과 류재건 교수 연구팀(제1저자: 조연상 석박통합과정생)은 포항공과대학교(POSTECH) 및 서울대학교 연구진과 협력하여 선형 아세트아마이드(Acetamide)와 환형 카프로락탐(ε-Caprolactam)을 조합한 ‘Dual-amide 기반 4성분계 수계 전해질’을 새롭게 설계하였다.

수계 전해질은 불연성, 비휘발성, 저비용 등의 장점으로 유기 전해질을 대체할 수 있는 차세대 리튬이온전지용 전해질로 주목받고 있으나 낮은 물의 전기화학적 안정성으로 인해 전위창(~1.23V)로 좁고, 고전압 구동 시 수소 발생 반응이 유발되는 본질적 한계를 지닌다.

아세트아마이드와 카프로락탐은 각기 다른 분자 구조와 유전 특성을 가지며, 함께 사용할 경우 리튬 이온 주변의 용매화 구조를 정밀하게 조절할 수 있다. 이러한 설계를 통해 리튬 이온 주위에는 TFSI- 음이온이 조밀하게 결합된 고밀도 용매화 구조가 형성되고, 이는 선택적 음이온 분해를 유도해 LiF가 풍부한 얇고 균일한 고체 전해질 계면층(SEI)을 형성된다. 형성된 SEI는 전자 절연성과 기계적 유연성을 동시에 확보함으로써 수소 발생 반응을 효과적으로 억제하고 계면 안정성을 크게 향상시켰다.

그 결과, 본 연구에서 개발한 전해질(AC22)은 1C(1시간 충·방전) 조건에서 1,200회 사이클링 후에도 초기 용량의 82%를 유지하였으며, 이는 현재까지 보고된 수계 리튬 이온 전지 중 최고 수준의 사이클 수명 성능에 해당한다.

▲ Dual-Amide 기반 전해질의 용매화구조 변화(위)와 1C 장수명 성능 특성(아래)

연구팀은 “Dual-amide 전략은 단순한 조성 변경이 아니라, 분자 구조 조합을 통해 리튬 이온의 솔베이션 환경과 계면 반응을 통합적으로 제어한 접근”이라며, “이번 결과는 수계 상용화의 주요 기술 장벽이던 수소 발생과 계면 불안정을 동시에 극복한 사례로, 향후 고안정성·고수명 이차전지 개발에 중요한 전환점을 마련할 것”이라고 밝혔다.

해당 성과는 국제 저명 학술지 Journal of Materials Chemistry A에 게재되었으며, 본 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단(NRF)의 지원과 Korea Toray Science Foundation의 지원을 받아 수행되었다.