고용량 고안전 레독스전지 성능 혁신할 전해질 개발

하이드로트로프 지지전해질(HSE) 분자구조와 각 구조의 기능 및 HSE의 종류. (자료제공: GIST)

광주과학기술원(GIST, 총장직무대행 박래길)은 유승준 교수와 홍석원 교수 공동연구팀이 레독스 활성 유기분자의 성능을 크게 향상시키는 전해질을 개발해 고용량‧고출력의 레독스 전지를 구현하는데 성공했다고 지난달 16일 밝혔다.

레독스 전지는 고출력이 가능한 슈퍼커패시터에 2차전지의 ‘산화-환원’의 에너지 저장‧방출 메커니즘을 더해 용량을 극대화한 하이브리드 전지다. 레독스 활성 유기분자는 다양한 합성법과 분자 구조 디자인을 통해 용해도나 전기화학적 레독스 전위를 조절할 수 있어, 높은 에너지 저장이 가능한 활성물질이다.

연구팀이 만든 ‘하이드로트로프 지지전해질’을 이용하면 레독스 전지에 사용되는 유기분자의 용해도가 기존보다 6배 수준으로 대폭 향상되어 고용량 레독스 전지 개발이 가능해진다. 레독스 전지와 같은 전기화학 기반 ESS의 에너지 용량을 높이려면 고농도의 활성물질이 전해액에 용해될 수 있어야 한다. 그러나 활성물질 자체의 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 분자를 개발했다. 이 지지전해질로 활성물질의 용해도와 이온전도도를 동시에 향상시킬 수 있게 됐다.

연구팀은 이 지지전해질에 최적화된 레독스 활성 유기분자를 고안해 고농도의 전해액에서도 전지가 안정적으로 작동하게 했다. 현재까지 개발된 퀴논류(quinone) 기반 레독스 전지 중 최고 농도다.

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 분자구조의 가이드라인을 제시했다.

신소재공학부 유승준 교수는 “이번 연구성과로 레독스 활성 유기분자의 고질적인 한계인 낮은 용해도를 향상할 수 있게 되어, 고용량‧고출력 레독스 전지 개발뿐 아니라 다양한 분자구조의 에너지저장원 개발에도 성과가 있을 것으로 기대된다”며, “향후 액체를 에너지저장원으로 사용하는 장점을 활용하면 ESS 대형화와 같은 응용기술 개발에도 도움이 될 것이다”라고 말했다.

이번 연구는 신소재공학부 유승준 교수가 주도하고 화학과 홍석원 교수가 공동 교신저자로 참여했으며 변진환 박사과정생, 고진혁 석사과정생이 공동 제1저자로 수행했다. 과학기술정보통신부‧한국연구재단의 개인기초연구 사업의 지원을 받았으며, 전기화학 및 에너지 분야의 국제학술지인 ‘ACS(Energy Letters)’에 4월 21일 게재됐다.