[요약]
- UNIST 연구팀은 인체의 항산화 작용을 모방한 배터리 내 전해액 첨가제를 개발
- 해당 물질은 배터리를 불안정한 상태로 만드는 전극 주변의 활성산소를 제거할 수 있어 대용량 배터리의 안정적인 제작에 기여
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울산과학기술원 연구팀이 개발한 전해액 첨가제 ‘구아이아콜’은 인체 항산화 작용을 모방한 것으로 매우 저렴한 비용에도 상대적으로 수명이 긴 대용량 배터리를 제작할 수 있는 가능성이 생김
- 울산과학기술원(이하 UNIST) 에너지화학공학과 연구팀은 배터리 양극에서 발생하는 활성산소를 없애는 생체반응 모방형 첨가제를 개발
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- 연구팀이 개발한 물질은 ‘구아이아콜’로 인체의 노화를 방지하는 항산화제와 같이 배터리 내에서 발생하는 활성산소와 반응해 배터리의 노화를 방지
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- 해당 물질은 연구팀이 이전에 개발했던 무기물 항산화 첨가제(MA-C60) 대비 약 1/350의 가격, 즉 1g당 약 1,200원 수준의 비용으로 만들 수 있다는 장점도 지님
- UNIST 연구팀은 기존 고용량 배터리가 수명이 길지 않다는 점을 인지하고 이러한 단점을 최소화시킬 수 있는 방안을 모색하기 위해 연구에 돌입
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- 연구팀은 배터리 용량이 커질수록 수명이 짧아지는 이유가 배터리 충전 및 방전 시 발생하는 활성산소 때문으로, 활성산소가 전해액을 분해함으로써 배터리 내부에서 전기에너지를 생성하는 활물질을 녹이거나 배터리 팽창을 초래한다고 판단
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- 이와 같은 배터리 성능 저하 문제를 극복하기 위해 연구팀은 항산화제에 주목하고, 대표적인 항산화제인 페놀류를 적절히 대체할 수 있는 다른 물질을 찾기 위해 노력
- 페놀류는 양성자를 이동시켜 활성산소를 제거하는 방식을 취하고 있어 리튬이온 기반 전해질의 바탕이 되는 리튬이온 배터리에는 적합하지 않다는 한계가 있음
- 이와 같은 배터리 성능 저하 문제를 극복하기 위해 연구팀은 항산화제에 주목하고, 대표적인 항산화제인 페놀류를 적절히 대체할 수 있는 다른 물질을 찾기 위해 노력
- 연구팀은 기존 페놀류 대신 페놀류에 메톡시 그룹을 결합해 구아이아콜을 만들고 이를 리튬이온 배터리의 전해액 첨가제로 사용
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- 인체의 활성산소 제거 작용 원리를 차용해 만들어진 구아이아콜은 배터리 내에서 리튬화된 활성산소와 결합하여 활성산소를 화학적으로 변하지 않는 리튬과산화물과 산소로 바꿈
- 이처럼 구아이아콜이 활성산소와 결합함으로써 활성산소로 인해 촉진되는 나쁜 반응 방지가 가능
- 인체의 활성산소 제거 작용 원리를 차용해 만들어진 구아이아콜은 배터리 내에서 리튬화된 활성산소와 결합하여 활성산소를 화학적으로 변하지 않는 리튬과산화물과 산소로 바꿈
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- 구아이아콜은 전해액에 소량만 첨가하더라도 활성산소와 반응함으로써 전해액 분해를 막는 것으로 나타났으며, 첫 번째 충전 때 산화되면서 배터리 양극에 보호막을 형성하는 등 배터리 사용 기간 동안 구조 변화 또한 방지
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- 배터리 성능 측면에서, 구아이아콜이 첨가된 전해질은 기존 전해질 대비 80% 수준의 용량을 유지하면서도 약 4배 정도의 기간 동안 배터리 사용이 가능했고, 충·방전을 200회 거치는 동안에도 70% 정도의 높은 용량 유지율을 보임
- 연구팀은 구아이아콜의 배터리 적용 사례 연구는 최초였다고 밝히면서 향후 관련 연구에 대한 기대감을 표명
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- 연구팀은 이번 연구가 기존 항산화제를 배터리에 적용한 다수의 연구 사례와 차별점이 있었다는 점을 강조하며, 이번 연구 결과가 추후 배터리 내 활성산소 통제를 위한 분자구조 개발에 큰 역할을 할 것이라고 전망
[시사점]
- UNIST의 배터리 첨가제 개발 연구는 전기자동차 및 대용량 에너지저장 장치의 수요 증가에 대비한 대용량 배터리 관련 기술 연구의 일환으로, 기존 대용량 배터리의 짧은 수명을 연장할 수 있는 가능성을 제시했다는 점에서 긍정적으로 평가
- 해당 연구 결과는 리튬이온 배터리뿐만 아니라 활성산소 문제가 거론되는 여타 고용량 배터리의 양극에도 적용함으로써 각 배터리의 전기화학적 특성 향상에도 도움을 줄 수 있을 것으로 기대
[출처]
- 조선비즈, 활성산소 없애 노화 막는 ‘배터리 전용 항산화제’ 나왔다, 2023.12.5.
- UNIST, 항산화 첨가제로 사람처럼 나이 드는 배터리의 노화 막는다!, 2023.12.5.
