서강대학교 화공생명공학과 류재건 교수 연구팀(제1저자: 조연상 석박통합과정생)은 포항공과대학교(POSTECH) 및 서울대학교 연구진과의 공동연구를 통해 수계 리튬이온전지의 고전압 구동과 장기 안정성을 동시에 확보한 Dual-Amide 기반 4성분계(Quaternary) 전해질을 개발하여 에너지 재료 분야 국제 저명 학술지 Journal of Materials Chemistry A에 게재되었다.

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. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 선형 아세트아마이드(Acetamide)와 환형 카프로락탐(ε-Caprolactam)을 함께 사용한 Dual-Amide 전략을 적용하였다. 두 아마이드의 상호 보완적 특성을 활용해 리튬 이온 주변의 솔베이션 구조를 조절함으로써 물의 반응성을 낮추고, 전극 계면에서 안정적인 LiF 기반 고체 전해질 계면이 형성되도록 유도하였다.

새롭게 개발된 AC22 전해질은 LMO||LTO 기반 풀셀 구동 시 1C(1시간 충·방전) 조건에서도 1200회 충·방전 후 82%의 용량을 유지해 우수한 장수명 특성을 확인했다. 이러한 결과는 수계 리튬이온전지 분야에서 보고된 사례 중 최장수명에 속하며, 수계 전해질의 성능 향상을 위한 새로운 가능성을 제시한다.

이번 연구는 수계 전해질의 성능과 안정성을 향상시키기 위한 새로운 분자 단위 설계 방향을 제시한 것으로 평가된다. Dual-Amide 전해질은 고안전성 에너지 저장장치(ESS), 친환경 배터리 기술 등 다양한 응용 분야에서 활용 가능성이 있으며, 유기 전해질 대비 화재 위험이 낮아 안전 중심의 에너지 시스템 개발에 기여할 것으로 기대된다.

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