서민아 KIST 센서시스템연구센터 책임연구원 [아무튼, 주말] [서민아의 물리학자의 팔레트] 대중 강연에서 항상 던지는 질문이 있다. “물리학자 뉴턴이라고 하면 무엇이 떠오르나요?” 사과! 맞는다. 뉴턴 하면 사과지. 그런데 정작 빛을 연구하는 물리학자에게 뉴턴 하면? 답은 ‘무지개’다. 뉴턴은 프리즘으로 우리가 하얗다고 생각하는 햇빛 속에 일곱 빛깔 무지개(빨주노초파남보)가 숨어 있음을, 그리고 프리즘을 이용해 이 색깔을 나누어 펼쳐낼 수 있다는 사실을 처음으로 책에 밝힌 사람이다. 그것이 바로 빛의 과학, 광학(光學·Optics)의 시작이었다. 최근에는 흑백사진 속에서 색깔 맞추기, 드레스가 파란색으로 보이냐 흰색으로 보이냐 등 ‘보이는 색깔’에 대한 논쟁이 뜨거웠다. 그래서 답이 뭐냐고? 결론부터 말하자면, 정답은 없다. 사람에 따라 밝은 곳에 놓인 파란색으로 보이기도 하고, 어두운 곳에 놓인 흰색으로 보이기도 한다. 사람마다 색을 보는 시각 세포의 민감도가 조금씩 다르고, ‘본다’는 것은 단순히 눈을 통과한 빛의 양뿐만 아니라 뇌의 ‘판단’이 더해져야 완성되는 것이기 때문이다. 쉽게 말해 저마다 다르게 ‘착시’를 겪는다는 뜻이다. 빛과 색은 다르다. 빛을 직접적으로 이야기하고 분석하는 것은 엄밀하게 뉴턴이 이끌던 과학의 영역이고 색에 대해 다가가는 것은 좀 더 예술적이고 인문학적 접근이다. ‘색깔’이라는 것은 빛과 떼려야 뗄 수 없는 상관관계를 가지고, 이것을 우리는 이미 알고 있다. 빛에서 출발해, 우리의 기억을 관통하여 언어화된 색의 유희를 즐기고 있는 셈이다. 갑자기 왜 이렇게 색깔에 대한 이슈와 논쟁이 늘어난 걸까. 어쩌면 ‘빛과 색’의 관계에 좀 더 세련된 방식으로 접근하면서 생긴 일종의 새로운 흐름이 아닐까. 지금부터는 우리가 아는 색깔에 대한 절대적이고 단편적인 정답을 과감하게 버려보자. 빛이 어떤 마법을 부려 우리가 그렇게 색을 바라보게 된 건지 그 숨겨진 이야기들을 천천히 풀어내 볼까 한다. 어디서 출발할까. 색의 비밀에 대해 한 걸음 다가가려고 하니 곧바로 떠오르는 질문이 있다. “세상에서 가장 매력적인 색은 무슨 색일까?” 빛과 색의 관계를 연구하는 처지에서는 파랑이 단연 1순위다. 수많은 색 중에서도 파랑은 유독 자연에 없는 색이다. 자연에 흔하게 존재하지 않기에, 오랜 역사에서 많은 사람이 가장 갈망해 온 색이 바로 파랑이다. 주변에서 흔히 볼 수 있는 하늘이나 바다의 파란색은 그 자체가 파란색 색소를 지닌 게 아니다. 파란색 빛이 산란을 많이 일으켜 눈으로 들어와 ‘파랗게 보이는’ 것일 뿐이다. 색에 민감할 수밖에 없는 화가들에게 이 귀한 색깔은 특별했다. 우리에게 ‘진주 귀걸이를 한 소녀’로 알려진 네덜란드 화가 페르메이르는 울트라마린(청금석)이라는 보석에서 추출한 파란색 물감을 즐겨 쓴 것으로 유명하다. 그런데 놀랍게도 그는 파랗게 보이는 부분에만 파란 물감을 칠하지 않았다. 가령 흰색 커튼이나 앞치마 등 밝은 색 사물은 햇빛을 받은 부분은 다소 노랗게 보이고, 그늘져 어두운 부분에서는 푸른빛이 돈다는 과학적 사실을 직관적으로 간파하고 있었다. 빛과 색이 어떻게 캔버스 위에서 함께 어울려 춤출 수 있는지 정확히 이해하고 있었다. 고흐도 과학자만큼이나 파란색에 민감했다. 다행히 고흐가 그림을 그리던 시절에는 다양한 합성을 통해 만들어진 값싼 파란색이 등장했다. 그는 코발트블루라는 파란색에 들어가는 원소의 비율을 의식해 물감 제조사를 고를 만큼 색을 고르는 데 신중하고 애착이 있었다. 그에게 파란색은 단순히 하늘의 푸르름을 표현하는 색이 아니었던 것 같다. ‘별이 빛나는 밤’이라는 명화 속 하늘의 파란색을 떠올려 보자. 그에게 노란색이 사랑의 표현이자 생의 에너지였다면, 그와 대비되는 어두운 파란색은 내면의 깊은 심연을 의미했다. 파란색을 사랑한 화가들은 특별히 빛의 효과를 의식해 그리거나, 색을 선택하고 만들 때 신중함을 보였다. 마치 과학자들처럼. 화가들은 파란색 물감을 이용해 수백 년 전의 빛을 화폭에 담아 놓았다. 기나긴 팬데믹이 끝나며 미술관들이 다시 문을 활짝 열었다. 화창한 여름날에 어느 미술관에 찾아 들어가 화가들이 숨겨둔 파랑을 찾아보는 건 어떨까. 그 옛날 빛의 흔적을 발견할 수 있는 행운을 당신도 누릴 수 있기를. 출처 : 조선일보(링크)

서승범 KIST 헬스케어로봇연구단 선임연구원 [과학 라운지] 박테리아로 만든 ‘마이크로 로봇’ 항암제 싣고 암 조직에 직접 전달 단순히 약 전달을 넘어 체내에서 항암 단백질 만들어 암세포 제거 1890년대 미국의 종양학자 윌리엄 콜리는 암 환자를 치료하던 중 패혈증으로 사망한 환자가 누워 있었던 병상에 암 환자를 눕혔더니 암 크기가 획기적으로 줄어든 것을 발견했다. 박테리아로 암을 치료할 수 있다는 단서를 찾은 콜리는 죽은 박테리아로 만든 혼합물인 ‘콜리 독소’(Coley’s Toxin)를 환자들에게 투여했다. 치밀한 검증 과정을 거치지 않은 임상 치료였기에 환자가 사망하는 결과를 초래하기도 했다. 당시 사람들은 그를 미치광이라고 부르기도 했지만, 오늘날 그는 면역항암 연구의 아버지로 불리고 있다. 박테리아, 즉 세균은 공기나 흙에도 존재하지만 몸속에서 살기도 하는 생명체로 독자 생존이 가능하고 스스로 움직이는 동력이 있다. 다른 세포에 기생해야만 하는 단백질인 바이러스와는 다르다. 생활폐기물 등을 분해해 자연을 정화하는 데 쓰이기도 하지만, 독소를 분비해 식중독, 파상풍, 폐렴 등 질병의 원인이 되기도 한다. 우리가 매일 아침 장건강을 위해 챙겨먹는 프로바이오틱스도 일종의 박테리아인데, 이처럼 수없이 다양한 형태로 우리 주변에 존재한다. 박테리아의 크기는 수 마이크로미터에 불과하다. 사람의 눈으로 확인할 수 없을 정도로 작은 몸집을 갖고 있기 때문에 이를 인간의 체내에 침투하는 마이크로 로봇으로 만들고자 하는 연구가 진행되고 있다. 특히 연구가 활발히 진행되고 있는 분야는 암 치료다. 산소가 부족한 암 조직 주변에서도 증식이 가능한 혐기성 박테리아의 특성 때문이다. 여기에 최근 연구를 통해 발견한 다양한 항암 단백질을 생산할 수 있는 DNA를 삽입하게 되면, 박테리아는 단순한 약물 전달자가 아니라 항암 단백질을 생산까지 할 수 있게 된다. 체내에 주입된 박테리아가 암세포에 도달하면, 초음파 또는 특정 화학물질과 같은 외부적 자극을 통해 항암 단백질을 생산한다. 목표물까지 신속하게 이동해 항암 단백질을 생산, 암세포를 제거한다. 이런 연구는 기존 치료법의 문제, 즉 항암제가 암세포뿐만 아니라 정상 세포를 파괴하는 문제를 해결하기 위해 고안된 것이다. 항암제를 실은 박테리아가 암 조직까지 이동해 증식한다면 정상 세포가 파괴될 염려는 없다. 한편, 3세대 암 치료법인 면역항암의 과정에서 박테리아는 직접 암 세포를 공격하는 역할뿐만 아니라 체내에서 암세포와 싸우는 면역세포를 돕기도 한다. 면역항암은 환자 스스로의 면역 강화를 통한 치료라는 점에서 각광받고 있다. 교활한 암세포가 정상 세포인 척 자신을 숨길 경우에도 면역세포로 하여금 암세포를 인식하고, 공격하는 역할을 잘 수행할 수 있도록 훈련시키는 치료법이다. 암 조직에 도달한 박테리아는 면역 항암이 가능하도록 면역세포를 불러 모으고, 면역 반응물질도 분비해 효과를 극대화한다. 최근 박테리아에 항암제를 탑재해 암 조직까지 효과적으로 전달한 후 항암 및 면역 기폭 물질을 분비하는 치료 방법이 동물 실험에 성공한 바 있다. 암세포가 자리 잡은 순간부터 사람의 몸속은 치열한 전쟁터가 된다. 면역세포만으로 물리칠 수 있으면 좋겠지만, 그러기에 적은 너무 강하다. 하지만, 희망은 있다. 빠르게 전선으로 이동, 효과적인 무기를 사용해 적을 제압하고, 면역세포들의 사기를 북돋아주는 다재다능한 박테리아 로봇이 곧 등장할 테니까. 연구의 단서는 일상을 다르게 보는 것에서 시작된다. 화장실의 물때에 불과한 존재일 수도 있는 박테리아를 암의 진단, 치료, 예방에 널리 활용하는 연구가 이미 동물 실험 단계에 진입했다. 가까운 미래에는 사전에서 ‘박테리아’를 검색하면, ‘암 치료에 사용되는 미생물’이라는 새로운 정의가 소개되지 않을까 기대해본다. 출처 : 조선일보(링크)

- 상용 전해액인 유기카보네이트 구조 제어로 리튬이온전지의 화재 위험성 낮춰 - 기존 제조 인프라에 적용이 쉬워 고안정성 리튬이온전지의 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구센터 이민아 박사와 KAIST 서동화 교수, 한국생산기술연구원(이하, KITECH) 김용진, 백자연 박사 공동연구팀이 리튬이온전지의 화재 및 열폭주를 억제하기 위해 선형 유기 카보네이트의 분자구조를 제어해 상온에서 불이 붙지 않는 난연성 전해액을 개발했다고 밝혔다. 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 등 중대형 리튬이온전지의 보급이 확대되면서 화재·폭발에 대한 우려도 커지고 있다. 전지의 화재는 외부 충격, 노후화 등으로 전지의 단락 시 발생하는데, 연쇄적인 발열 반응을 동반하는 열폭주 현상으로 인해 화재 진압이 어려워 인명피해의 위험성이 높다. 특히, 리튬이온전지의 전해액으로 사용되는 선형 유기카보네이트 용액은 인화점이 낮아서 상온에서도 쉽게 불이 붙기 때문에 발화의 직접적인 원인이 되는 물질이다. 지금까지는 전해질의 난연성을 강화하기 위해 전해액 분자에 과량의 불소 원자를 치환하거나 고농도의 염을 녹여 용액을 제조했다. 이에 따라 전해질의 이온 전달 능력이 저하되거나, 상용 전극과의 호환성이 떨어지는 문제가 발생해 경제성과 대량 생산성 측면에서 상용화에 한계가 있었다. 연구팀은 상용 리튬이온전지 전해액에 사용되는 대표적 선형 유기카보네이트 DEC(diethyl carbonate) 분자에 알킬 사슬 연장과 알콕시 치환을 동시에 적용해 분자 간 상호작용과 리튬염의 용해 능력을 높임으로써 인화점과 이온전도도가 함께 강화된 신규 전해액 BMEC(bis(2-methoxyethyl) carbonate)를 개발했다. BMEC 용액은 인화점이 기존의 DEC 용액보다 90°C 더 높은 121°C로 이차전지 작동 온도에서 점화원 발생 시에 불이 붙지 않았다. 또한, DEC에 단순히 알킬 사슬을 연장한 DBC(dibutyl carbonate) 용액보다 더 강한 리튬염 해리가 가능해 난연성 강화 시 리튬 이온 전달이 느려지는 문제를 해결했다. 이와 함께 개발된 전해액은 충전된 양극과 함께 고온에 노출되어도 상용 전해액 대비 가연성 기체 발생이 37%, 발열이 62% 감소하는 것을 확인했다. 또한, 신규 전해액을 대표적인 상용 전극 소재인 하이니켈 양극, 흑연 음극으로 구성된 1Ah급 리튬이온전지에 적용 후 500회 이상 안정적으로 구동시켜 호환성을 확보했고, 70% 충전된 4Ah급 리튬이온전지에 관통 시험을 실시해 열폭주가 억제됨을 확인했다. KIST 이민아 박사는 “이번 연구성과는 불가피하게 전해액의 성능과 경제성 저하를 수반했던 기존 난연성 전해액 연구에 새로운 방향성을 제시한 것”이라며, “개발된 난연성 전해액은 우수한 경제성과 고에너지 밀도 전극 소재와의 호환성을 갖고 있어서 기존의 전지 제조 인프라에 적용할 수 있을 것으로 기대되며, 궁극적으로 열적 안정성이 우수한 고성능 배터리의 등장을 앞당길 것”이라고 밝혔다. KITECH 백자연 박사는 “이번에 개발된 BMEC 용매는 저비용 촉매를 활용한 에스터교환반응(transesterification)으로 합성하여 손쉽게 스케일-업이 가능하다. 앞으로 C1가스(CO 또는 CO2)를 활용한 합성법을 추가로 개발하여 친환경성을 더욱 높일 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 운영되는 국가과학기술연구회 선행융합연구사업(CPS21071-100), 한국연구재단 중견연구 과제(NRF-2021R1A2C2006243)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 에너지 및 환경과학 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF 32.5, JCR 분야 상위 0.4%) 최신호에 게재됐다. * Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries [그림 1] 고인화점 전해액 분자 설계 전략과 상온 점화 특성 비교 [그림 2 ] 상용 및 신규 전해액을 적용한 4Ah 파우치 셀 관통 시험 결과 ○ 논문명: Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries ○ 학술지: Energy & Environmental Science ○ 게재일: 2023. 5. 10.(온라인 게재), 2023. 7. 12.(7월호 표지 공개일) ○ DOI: https://doi.org/10.1039/d3ee00157a ○ 논문저자 - 이지나 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터), - 전아리 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터) - 이민아 선임연구원(교신저자/KIST 에너지저장연구센터) - 서동화 교수(교신저자/KAIST) - 백자연 선임연구원(교신저자/한국생산기술연구원)

- 상용 전해액인 유기카보네이트 구조 제어로 리튬이온전지의 화재 위험성 낮춰 - 기존 제조 인프라에 적용이 쉬워 고안정성 리튬이온전지의 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구센터 이민아 박사와 KAIST 서동화 교수, 한국생산기술연구원(이하, KITECH) 김용진, 백자연 박사 공동연구팀이 리튬이온전지의 화재 및 열폭주를 억제하기 위해 선형 유기 카보네이트의 분자구조를 제어해 상온에서 불이 붙지 않는 난연성 전해액을 개발했다고 밝혔다. 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 등 중대형 리튬이온전지의 보급이 확대되면서 화재·폭발에 대한 우려도 커지고 있다. 전지의 화재는 외부 충격, 노후화 등으로 전지의 단락 시 발생하는데, 연쇄적인 발열 반응을 동반하는 열폭주 현상으로 인해 화재 진압이 어려워 인명피해의 위험성이 높다. 특히, 리튬이온전지의 전해액으로 사용되는 선형 유기카보네이트 용액은 인화점이 낮아서 상온에서도 쉽게 불이 붙기 때문에 발화의 직접적인 원인이 되는 물질이다. 지금까지는 전해질의 난연성을 강화하기 위해 전해액 분자에 과량의 불소 원자를 치환하거나 고농도의 염을 녹여 용액을 제조했다. 이에 따라 전해질의 이온 전달 능력이 저하되거나, 상용 전극과의 호환성이 떨어지는 문제가 발생해 경제성과 대량 생산성 측면에서 상용화에 한계가 있었다. 연구팀은 상용 리튬이온전지 전해액에 사용되는 대표적 선형 유기카보네이트 DEC(diethyl carbonate) 분자에 알킬 사슬 연장과 알콕시 치환을 동시에 적용해 분자 간 상호작용과 리튬염의 용해 능력을 높임으로써 인화점과 이온전도도가 함께 강화된 신규 전해액 BMEC(bis(2-methoxyethyl) carbonate)를 개발했다. BMEC 용액은 인화점이 기존의 DEC 용액보다 90°C 더 높은 121°C로 이차전지 작동 온도에서 점화원 발생 시에 불이 붙지 않았다. 또한, DEC에 단순히 알킬 사슬을 연장한 DBC(dibutyl carbonate) 용액보다 더 강한 리튬염 해리가 가능해 난연성 강화 시 리튬 이온 전달이 느려지는 문제를 해결했다. 이와 함께 개발된 전해액은 충전된 양극과 함께 고온에 노출되어도 상용 전해액 대비 가연성 기체 발생이 37%, 발열이 62% 감소하는 것을 확인했다. 또한, 신규 전해액을 대표적인 상용 전극 소재인 하이니켈 양극, 흑연 음극으로 구성된 1Ah급 리튬이온전지에 적용 후 500회 이상 안정적으로 구동시켜 호환성을 확보했고, 70% 충전된 4Ah급 리튬이온전지에 관통 시험을 실시해 열폭주가 억제됨을 확인했다. KIST 이민아 박사는 “이번 연구성과는 불가피하게 전해액의 성능과 경제성 저하를 수반했던 기존 난연성 전해액 연구에 새로운 방향성을 제시한 것”이라며, “개발된 난연성 전해액은 우수한 경제성과 고에너지 밀도 전극 소재와의 호환성을 갖고 있어서 기존의 전지 제조 인프라에 적용할 수 있을 것으로 기대되며, 궁극적으로 열적 안정성이 우수한 고성능 배터리의 등장을 앞당길 것”이라고 밝혔다. KITECH 백자연 박사는 “이번에 개발된 BMEC 용매는 저비용 촉매를 활용한 에스터교환반응(transesterification)으로 합성하여 손쉽게 스케일-업이 가능하다. 앞으로 C1가스(CO 또는 CO2)를 활용한 합성법을 추가로 개발하여 친환경성을 더욱 높일 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 운영되는 국가과학기술연구회 선행융합연구사업(CPS21071-100), 한국연구재단 중견연구 과제(NRF-2021R1A2C2006243)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 에너지 및 환경과학 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF 32.5, JCR 분야 상위 0.4%) 최신호에 게재됐다. * Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries [그림 1] 고인화점 전해액 분자 설계 전략과 상온 점화 특성 비교 [그림 2 ] 상용 및 신규 전해액을 적용한 4Ah 파우치 셀 관통 시험 결과 ○ 논문명: Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries ○ 학술지: Energy & Environmental Science ○ 게재일: 2023. 5. 10.(온라인 게재), 2023. 7. 12.(7월호 표지 공개일) ○ DOI: https://doi.org/10.1039/d3ee00157a ○ 논문저자 - 이지나 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터), - 전아리 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터) - 이민아 선임연구원(교신저자/KIST 에너지저장연구센터) - 서동화 교수(교신저자/KAIST) - 백자연 선임연구원(교신저자/한국생산기술연구원)

- 상용 전해액인 유기카보네이트 구조 제어로 리튬이온전지의 화재 위험성 낮춰 - 기존 제조 인프라에 적용이 쉬워 고안정성 리튬이온전지의 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구센터 이민아 박사와 KAIST 서동화 교수, 한국생산기술연구원(이하, KITECH) 김용진, 백자연 박사 공동연구팀이 리튬이온전지의 화재 및 열폭주를 억제하기 위해 선형 유기 카보네이트의 분자구조를 제어해 상온에서 불이 붙지 않는 난연성 전해액을 개발했다고 밝혔다. 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 등 중대형 리튬이온전지의 보급이 확대되면서 화재·폭발에 대한 우려도 커지고 있다. 전지의 화재는 외부 충격, 노후화 등으로 전지의 단락 시 발생하는데, 연쇄적인 발열 반응을 동반하는 열폭주 현상으로 인해 화재 진압이 어려워 인명피해의 위험성이 높다. 특히, 리튬이온전지의 전해액으로 사용되는 선형 유기카보네이트 용액은 인화점이 낮아서 상온에서도 쉽게 불이 붙기 때문에 발화의 직접적인 원인이 되는 물질이다. 지금까지는 전해질의 난연성을 강화하기 위해 전해액 분자에 과량의 불소 원자를 치환하거나 고농도의 염을 녹여 용액을 제조했다. 이에 따라 전해질의 이온 전달 능력이 저하되거나, 상용 전극과의 호환성이 떨어지는 문제가 발생해 경제성과 대량 생산성 측면에서 상용화에 한계가 있었다. 연구팀은 상용 리튬이온전지 전해액에 사용되는 대표적 선형 유기카보네이트 DEC(diethyl carbonate) 분자에 알킬 사슬 연장과 알콕시 치환을 동시에 적용해 분자 간 상호작용과 리튬염의 용해 능력을 높임으로써 인화점과 이온전도도가 함께 강화된 신규 전해액 BMEC(bis(2-methoxyethyl) carbonate)를 개발했다. BMEC 용액은 인화점이 기존의 DEC 용액보다 90°C 더 높은 121°C로 이차전지 작동 온도에서 점화원 발생 시에 불이 붙지 않았다. 또한, DEC에 단순히 알킬 사슬을 연장한 DBC(dibutyl carbonate) 용액보다 더 강한 리튬염 해리가 가능해 난연성 강화 시 리튬 이온 전달이 느려지는 문제를 해결했다. 이와 함께 개발된 전해액은 충전된 양극과 함께 고온에 노출되어도 상용 전해액 대비 가연성 기체 발생이 37%, 발열이 62% 감소하는 것을 확인했다. 또한, 신규 전해액을 대표적인 상용 전극 소재인 하이니켈 양극, 흑연 음극으로 구성된 1Ah급 리튬이온전지에 적용 후 500회 이상 안정적으로 구동시켜 호환성을 확보했고, 70% 충전된 4Ah급 리튬이온전지에 관통 시험을 실시해 열폭주가 억제됨을 확인했다. KIST 이민아 박사는 “이번 연구성과는 불가피하게 전해액의 성능과 경제성 저하를 수반했던 기존 난연성 전해액 연구에 새로운 방향성을 제시한 것”이라며, “개발된 난연성 전해액은 우수한 경제성과 고에너지 밀도 전극 소재와의 호환성을 갖고 있어서 기존의 전지 제조 인프라에 적용할 수 있을 것으로 기대되며, 궁극적으로 열적 안정성이 우수한 고성능 배터리의 등장을 앞당길 것”이라고 밝혔다. KITECH 백자연 박사는 “이번에 개발된 BMEC 용매는 저비용 촉매를 활용한 에스터교환반응(transesterification)으로 합성하여 손쉽게 스케일-업이 가능하다. 앞으로 C1가스(CO 또는 CO2)를 활용한 합성법을 추가로 개발하여 친환경성을 더욱 높일 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 운영되는 국가과학기술연구회 선행융합연구사업(CPS21071-100), 한국연구재단 중견연구 과제(NRF-2021R1A2C2006243)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 에너지 및 환경과학 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF 32.5, JCR 분야 상위 0.4%) 최신호에 게재됐다. * Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries [그림 1] 고인화점 전해액 분자 설계 전략과 상온 점화 특성 비교 [그림 2 ] 상용 및 신규 전해액을 적용한 4Ah 파우치 셀 관통 시험 결과 ○ 논문명: Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries ○ 학술지: Energy & Environmental Science ○ 게재일: 2023. 5. 10.(온라인 게재), 2023. 7. 12.(7월호 표지 공개일) ○ DOI: https://doi.org/10.1039/d3ee00157a ○ 논문저자 - 이지나 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터), - 전아리 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터) - 이민아 선임연구원(교신저자/KIST 에너지저장연구센터) - 서동화 교수(교신저자/KAIST) - 백자연 선임연구원(교신저자/한국생산기술연구원)

- 상용 전해액인 유기카보네이트 구조 제어로 리튬이온전지의 화재 위험성 낮춰 - 기존 제조 인프라에 적용이 쉬워 고안정성 리튬이온전지의 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구센터 이민아 박사와 KAIST 서동화 교수, 한국생산기술연구원(이하, KITECH) 김용진, 백자연 박사 공동연구팀이 리튬이온전지의 화재 및 열폭주를 억제하기 위해 선형 유기 카보네이트의 분자구조를 제어해 상온에서 불이 붙지 않는 난연성 전해액을 개발했다고 밝혔다. 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 등 중대형 리튬이온전지의 보급이 확대되면서 화재·폭발에 대한 우려도 커지고 있다. 전지의 화재는 외부 충격, 노후화 등으로 전지의 단락 시 발생하는데, 연쇄적인 발열 반응을 동반하는 열폭주 현상으로 인해 화재 진압이 어려워 인명피해의 위험성이 높다. 특히, 리튬이온전지의 전해액으로 사용되는 선형 유기카보네이트 용액은 인화점이 낮아서 상온에서도 쉽게 불이 붙기 때문에 발화의 직접적인 원인이 되는 물질이다. 지금까지는 전해질의 난연성을 강화하기 위해 전해액 분자에 과량의 불소 원자를 치환하거나 고농도의 염을 녹여 용액을 제조했다. 이에 따라 전해질의 이온 전달 능력이 저하되거나, 상용 전극과의 호환성이 떨어지는 문제가 발생해 경제성과 대량 생산성 측면에서 상용화에 한계가 있었다. 연구팀은 상용 리튬이온전지 전해액에 사용되는 대표적 선형 유기카보네이트 DEC(diethyl carbonate) 분자에 알킬 사슬 연장과 알콕시 치환을 동시에 적용해 분자 간 상호작용과 리튬염의 용해 능력을 높임으로써 인화점과 이온전도도가 함께 강화된 신규 전해액 BMEC(bis(2-methoxyethyl) carbonate)를 개발했다. BMEC 용액은 인화점이 기존의 DEC 용액보다 90°C 더 높은 121°C로 이차전지 작동 온도에서 점화원 발생 시에 불이 붙지 않았다. 또한, DEC에 단순히 알킬 사슬을 연장한 DBC(dibutyl carbonate) 용액보다 더 강한 리튬염 해리가 가능해 난연성 강화 시 리튬 이온 전달이 느려지는 문제를 해결했다. 이와 함께 개발된 전해액은 충전된 양극과 함께 고온에 노출되어도 상용 전해액 대비 가연성 기체 발생이 37%, 발열이 62% 감소하는 것을 확인했다. 또한, 신규 전해액을 대표적인 상용 전극 소재인 하이니켈 양극, 흑연 음극으로 구성된 1Ah급 리튬이온전지에 적용 후 500회 이상 안정적으로 구동시켜 호환성을 확보했고, 70% 충전된 4Ah급 리튬이온전지에 관통 시험을 실시해 열폭주가 억제됨을 확인했다. KIST 이민아 박사는 “이번 연구성과는 불가피하게 전해액의 성능과 경제성 저하를 수반했던 기존 난연성 전해액 연구에 새로운 방향성을 제시한 것”이라며, “개발된 난연성 전해액은 우수한 경제성과 고에너지 밀도 전극 소재와의 호환성을 갖고 있어서 기존의 전지 제조 인프라에 적용할 수 있을 것으로 기대되며, 궁극적으로 열적 안정성이 우수한 고성능 배터리의 등장을 앞당길 것”이라고 밝혔다. KITECH 백자연 박사는 “이번에 개발된 BMEC 용매는 저비용 촉매를 활용한 에스터교환반응(transesterification)으로 합성하여 손쉽게 스케일-업이 가능하다. 앞으로 C1가스(CO 또는 CO2)를 활용한 합성법을 추가로 개발하여 친환경성을 더욱 높일 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 운영되는 국가과학기술연구회 선행융합연구사업(CPS21071-100), 한국연구재단 중견연구 과제(NRF-2021R1A2C2006243)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 에너지 및 환경과학 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF 32.5, JCR 분야 상위 0.4%) 최신호에 게재됐다. * Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries [그림 1] 고인화점 전해액 분자 설계 전략과 상온 점화 특성 비교 [그림 2 ] 상용 및 신규 전해액을 적용한 4Ah 파우치 셀 관통 시험 결과 ○ 논문명: Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries ○ 학술지: Energy & Environmental Science ○ 게재일: 2023. 5. 10.(온라인 게재), 2023. 7. 12.(7월호 표지 공개일) ○ DOI: https://doi.org/10.1039/d3ee00157a ○ 논문저자 - 이지나 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터), - 전아리 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터) - 이민아 선임연구원(교신저자/KIST 에너지저장연구센터) - 서동화 교수(교신저자/KAIST) - 백자연 선임연구원(교신저자/한국생산기술연구원)

- 상용 전해액인 유기카보네이트 구조 제어로 리튬이온전지의 화재 위험성 낮춰 - 기존 제조 인프라에 적용이 쉬워 고안정성 리튬이온전지의 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구센터 이민아 박사와 KAIST 서동화 교수, 한국생산기술연구원(이하, KITECH) 김용진, 백자연 박사 공동연구팀이 리튬이온전지의 화재 및 열폭주를 억제하기 위해 선형 유기 카보네이트의 분자구조를 제어해 상온에서 불이 붙지 않는 난연성 전해액을 개발했다고 밝혔다. 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 등 중대형 리튬이온전지의 보급이 확대되면서 화재·폭발에 대한 우려도 커지고 있다. 전지의 화재는 외부 충격, 노후화 등으로 전지의 단락 시 발생하는데, 연쇄적인 발열 반응을 동반하는 열폭주 현상으로 인해 화재 진압이 어려워 인명피해의 위험성이 높다. 특히, 리튬이온전지의 전해액으로 사용되는 선형 유기카보네이트 용액은 인화점이 낮아서 상온에서도 쉽게 불이 붙기 때문에 발화의 직접적인 원인이 되는 물질이다. 지금까지는 전해질의 난연성을 강화하기 위해 전해액 분자에 과량의 불소 원자를 치환하거나 고농도의 염을 녹여 용액을 제조했다. 이에 따라 전해질의 이온 전달 능력이 저하되거나, 상용 전극과의 호환성이 떨어지는 문제가 발생해 경제성과 대량 생산성 측면에서 상용화에 한계가 있었다. 연구팀은 상용 리튬이온전지 전해액에 사용되는 대표적 선형 유기카보네이트 DEC(diethyl carbonate) 분자에 알킬 사슬 연장과 알콕시 치환을 동시에 적용해 분자 간 상호작용과 리튬염의 용해 능력을 높임으로써 인화점과 이온전도도가 함께 강화된 신규 전해액 BMEC(bis(2-methoxyethyl) carbonate)를 개발했다. BMEC 용액은 인화점이 기존의 DEC 용액보다 90°C 더 높은 121°C로 이차전지 작동 온도에서 점화원 발생 시에 불이 붙지 않았다. 또한, DEC에 단순히 알킬 사슬을 연장한 DBC(dibutyl carbonate) 용액보다 더 강한 리튬염 해리가 가능해 난연성 강화 시 리튬 이온 전달이 느려지는 문제를 해결했다. 이와 함께 개발된 전해액은 충전된 양극과 함께 고온에 노출되어도 상용 전해액 대비 가연성 기체 발생이 37%, 발열이 62% 감소하는 것을 확인했다. 또한, 신규 전해액을 대표적인 상용 전극 소재인 하이니켈 양극, 흑연 음극으로 구성된 1Ah급 리튬이온전지에 적용 후 500회 이상 안정적으로 구동시켜 호환성을 확보했고, 70% 충전된 4Ah급 리튬이온전지에 관통 시험을 실시해 열폭주가 억제됨을 확인했다. KIST 이민아 박사는 “이번 연구성과는 불가피하게 전해액의 성능과 경제성 저하를 수반했던 기존 난연성 전해액 연구에 새로운 방향성을 제시한 것”이라며, “개발된 난연성 전해액은 우수한 경제성과 고에너지 밀도 전극 소재와의 호환성을 갖고 있어서 기존의 전지 제조 인프라에 적용할 수 있을 것으로 기대되며, 궁극적으로 열적 안정성이 우수한 고성능 배터리의 등장을 앞당길 것”이라고 밝혔다. KITECH 백자연 박사는 “이번에 개발된 BMEC 용매는 저비용 촉매를 활용한 에스터교환반응(transesterification)으로 합성하여 손쉽게 스케일-업이 가능하다. 앞으로 C1가스(CO 또는 CO2)를 활용한 합성법을 추가로 개발하여 친환경성을 더욱 높일 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 운영되는 국가과학기술연구회 선행융합연구사업(CPS21071-100), 한국연구재단 중견연구 과제(NRF-2021R1A2C2006243)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 에너지 및 환경과학 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF 32.5, JCR 분야 상위 0.4%) 최신호에 게재됐다. * Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries [그림 1] 고인화점 전해액 분자 설계 전략과 상온 점화 특성 비교 [그림 2 ] 상용 및 신규 전해액을 적용한 4Ah 파우치 셀 관통 시험 결과 ○ 논문명: Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries ○ 학술지: Energy & Environmental Science ○ 게재일: 2023. 5. 10.(온라인 게재), 2023. 7. 12.(7월호 표지 공개일) ○ DOI: https://doi.org/10.1039/d3ee00157a ○ 논문저자 - 이지나 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터), - 전아리 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터) - 이민아 선임연구원(교신저자/KIST 에너지저장연구센터) - 서동화 교수(교신저자/KAIST) - 백자연 선임연구원(교신저자/한국생산기술연구원)

- 상용 전해액인 유기카보네이트 구조 제어로 리튬이온전지의 화재 위험성 낮춰 - 기존 제조 인프라에 적용이 쉬워 고안정성 리튬이온전지의 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구센터 이민아 박사와 KAIST 서동화 교수, 한국생산기술연구원(이하, KITECH) 김용진, 백자연 박사 공동연구팀이 리튬이온전지의 화재 및 열폭주를 억제하기 위해 선형 유기 카보네이트의 분자구조를 제어해 상온에서 불이 붙지 않는 난연성 전해액을 개발했다고 밝혔다. 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 등 중대형 리튬이온전지의 보급이 확대되면서 화재·폭발에 대한 우려도 커지고 있다. 전지의 화재는 외부 충격, 노후화 등으로 전지의 단락 시 발생하는데, 연쇄적인 발열 반응을 동반하는 열폭주 현상으로 인해 화재 진압이 어려워 인명피해의 위험성이 높다. 특히, 리튬이온전지의 전해액으로 사용되는 선형 유기카보네이트 용액은 인화점이 낮아서 상온에서도 쉽게 불이 붙기 때문에 발화의 직접적인 원인이 되는 물질이다. 지금까지는 전해질의 난연성을 강화하기 위해 전해액 분자에 과량의 불소 원자를 치환하거나 고농도의 염을 녹여 용액을 제조했다. 이에 따라 전해질의 이온 전달 능력이 저하되거나, 상용 전극과의 호환성이 떨어지는 문제가 발생해 경제성과 대량 생산성 측면에서 상용화에 한계가 있었다. 연구팀은 상용 리튬이온전지 전해액에 사용되는 대표적 선형 유기카보네이트 DEC(diethyl carbonate) 분자에 알킬 사슬 연장과 알콕시 치환을 동시에 적용해 분자 간 상호작용과 리튬염의 용해 능력을 높임으로써 인화점과 이온전도도가 함께 강화된 신규 전해액 BMEC(bis(2-methoxyethyl) carbonate)를 개발했다. BMEC 용액은 인화점이 기존의 DEC 용액보다 90°C 더 높은 121°C로 이차전지 작동 온도에서 점화원 발생 시에 불이 붙지 않았다. 또한, DEC에 단순히 알킬 사슬을 연장한 DBC(dibutyl carbonate) 용액보다 더 강한 리튬염 해리가 가능해 난연성 강화 시 리튬 이온 전달이 느려지는 문제를 해결했다. 이와 함께 개발된 전해액은 충전된 양극과 함께 고온에 노출되어도 상용 전해액 대비 가연성 기체 발생이 37%, 발열이 62% 감소하는 것을 확인했다. 또한, 신규 전해액을 대표적인 상용 전극 소재인 하이니켈 양극, 흑연 음극으로 구성된 1Ah급 리튬이온전지에 적용 후 500회 이상 안정적으로 구동시켜 호환성을 확보했고, 70% 충전된 4Ah급 리튬이온전지에 관통 시험을 실시해 열폭주가 억제됨을 확인했다. KIST 이민아 박사는 “이번 연구성과는 불가피하게 전해액의 성능과 경제성 저하를 수반했던 기존 난연성 전해액 연구에 새로운 방향성을 제시한 것”이라며, “개발된 난연성 전해액은 우수한 경제성과 고에너지 밀도 전극 소재와의 호환성을 갖고 있어서 기존의 전지 제조 인프라에 적용할 수 있을 것으로 기대되며, 궁극적으로 열적 안정성이 우수한 고성능 배터리의 등장을 앞당길 것”이라고 밝혔다. KITECH 백자연 박사는 “이번에 개발된 BMEC 용매는 저비용 촉매를 활용한 에스터교환반응(transesterification)으로 합성하여 손쉽게 스케일-업이 가능하다. 앞으로 C1가스(CO 또는 CO2)를 활용한 합성법을 추가로 개발하여 친환경성을 더욱 높일 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 운영되는 국가과학기술연구회 선행융합연구사업(CPS21071-100), 한국연구재단 중견연구 과제(NRF-2021R1A2C2006243)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 에너지 및 환경과학 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF 32.5, JCR 분야 상위 0.4%) 최신호에 게재됐다. * Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries [그림 1] 고인화점 전해액 분자 설계 전략과 상온 점화 특성 비교 [그림 2 ] 상용 및 신규 전해액을 적용한 4Ah 파우치 셀 관통 시험 결과 ○ 논문명: Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries ○ 학술지: Energy & Environmental Science ○ 게재일: 2023. 5. 10.(온라인 게재), 2023. 7. 12.(7월호 표지 공개일) ○ DOI: https://doi.org/10.1039/d3ee00157a ○ 논문저자 - 이지나 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터), - 전아리 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터) - 이민아 선임연구원(교신저자/KIST 에너지저장연구센터) - 서동화 교수(교신저자/KAIST) - 백자연 선임연구원(교신저자/한국생산기술연구원)

- 상용 전해액인 유기카보네이트 구조 제어로 리튬이온전지의 화재 위험성 낮춰 - 기존 제조 인프라에 적용이 쉬워 고안정성 리튬이온전지의 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구센터 이민아 박사와 KAIST 서동화 교수, 한국생산기술연구원(이하, KITECH) 김용진, 백자연 박사 공동연구팀이 리튬이온전지의 화재 및 열폭주를 억제하기 위해 선형 유기 카보네이트의 분자구조를 제어해 상온에서 불이 붙지 않는 난연성 전해액을 개발했다고 밝혔다. 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 등 중대형 리튬이온전지의 보급이 확대되면서 화재·폭발에 대한 우려도 커지고 있다. 전지의 화재는 외부 충격, 노후화 등으로 전지의 단락 시 발생하는데, 연쇄적인 발열 반응을 동반하는 열폭주 현상으로 인해 화재 진압이 어려워 인명피해의 위험성이 높다. 특히, 리튬이온전지의 전해액으로 사용되는 선형 유기카보네이트 용액은 인화점이 낮아서 상온에서도 쉽게 불이 붙기 때문에 발화의 직접적인 원인이 되는 물질이다. 지금까지는 전해질의 난연성을 강화하기 위해 전해액 분자에 과량의 불소 원자를 치환하거나 고농도의 염을 녹여 용액을 제조했다. 이에 따라 전해질의 이온 전달 능력이 저하되거나, 상용 전극과의 호환성이 떨어지는 문제가 발생해 경제성과 대량 생산성 측면에서 상용화에 한계가 있었다. 연구팀은 상용 리튬이온전지 전해액에 사용되는 대표적 선형 유기카보네이트 DEC(diethyl carbonate) 분자에 알킬 사슬 연장과 알콕시 치환을 동시에 적용해 분자 간 상호작용과 리튬염의 용해 능력을 높임으로써 인화점과 이온전도도가 함께 강화된 신규 전해액 BMEC(bis(2-methoxyethyl) carbonate)를 개발했다. BMEC 용액은 인화점이 기존의 DEC 용액보다 90°C 더 높은 121°C로 이차전지 작동 온도에서 점화원 발생 시에 불이 붙지 않았다. 또한, DEC에 단순히 알킬 사슬을 연장한 DBC(dibutyl carbonate) 용액보다 더 강한 리튬염 해리가 가능해 난연성 강화 시 리튬 이온 전달이 느려지는 문제를 해결했다. 이와 함께 개발된 전해액은 충전된 양극과 함께 고온에 노출되어도 상용 전해액 대비 가연성 기체 발생이 37%, 발열이 62% 감소하는 것을 확인했다. 또한, 신규 전해액을 대표적인 상용 전극 소재인 하이니켈 양극, 흑연 음극으로 구성된 1Ah급 리튬이온전지에 적용 후 500회 이상 안정적으로 구동시켜 호환성을 확보했고, 70% 충전된 4Ah급 리튬이온전지에 관통 시험을 실시해 열폭주가 억제됨을 확인했다. KIST 이민아 박사는 “이번 연구성과는 불가피하게 전해액의 성능과 경제성 저하를 수반했던 기존 난연성 전해액 연구에 새로운 방향성을 제시한 것”이라며, “개발된 난연성 전해액은 우수한 경제성과 고에너지 밀도 전극 소재와의 호환성을 갖고 있어서 기존의 전지 제조 인프라에 적용할 수 있을 것으로 기대되며, 궁극적으로 열적 안정성이 우수한 고성능 배터리의 등장을 앞당길 것”이라고 밝혔다. KITECH 백자연 박사는 “이번에 개발된 BMEC 용매는 저비용 촉매를 활용한 에스터교환반응(transesterification)으로 합성하여 손쉽게 스케일-업이 가능하다. 앞으로 C1가스(CO 또는 CO2)를 활용한 합성법을 추가로 개발하여 친환경성을 더욱 높일 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 운영되는 국가과학기술연구회 선행융합연구사업(CPS21071-100), 한국연구재단 중견연구 과제(NRF-2021R1A2C2006243)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 에너지 및 환경과학 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF 32.5, JCR 분야 상위 0.4%) 최신호에 게재됐다. * Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries [그림 1] 고인화점 전해액 분자 설계 전략과 상온 점화 특성 비교 [그림 2 ] 상용 및 신규 전해액을 적용한 4Ah 파우치 셀 관통 시험 결과 ○ 논문명: Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries ○ 학술지: Energy & Environmental Science ○ 게재일: 2023. 5. 10.(온라인 게재), 2023. 7. 12.(7월호 표지 공개일) ○ DOI: https://doi.org/10.1039/d3ee00157a ○ 논문저자 - 이지나 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터), - 전아리 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터) - 이민아 선임연구원(교신저자/KIST 에너지저장연구센터) - 서동화 교수(교신저자/KAIST) - 백자연 선임연구원(교신저자/한국생산기술연구원)

- 상용 전해액인 유기카보네이트 구조 제어로 리튬이온전지의 화재 위험성 낮춰 - 기존 제조 인프라에 적용이 쉬워 고안정성 리튬이온전지의 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구센터 이민아 박사와 KAIST 서동화 교수, 한국생산기술연구원(이하, KITECH) 김용진, 백자연 박사 공동연구팀이 리튬이온전지의 화재 및 열폭주를 억제하기 위해 선형 유기 카보네이트의 분자구조를 제어해 상온에서 불이 붙지 않는 난연성 전해액을 개발했다고 밝혔다. 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 등 중대형 리튬이온전지의 보급이 확대되면서 화재·폭발에 대한 우려도 커지고 있다. 전지의 화재는 외부 충격, 노후화 등으로 전지의 단락 시 발생하는데, 연쇄적인 발열 반응을 동반하는 열폭주 현상으로 인해 화재 진압이 어려워 인명피해의 위험성이 높다. 특히, 리튬이온전지의 전해액으로 사용되는 선형 유기카보네이트 용액은 인화점이 낮아서 상온에서도 쉽게 불이 붙기 때문에 발화의 직접적인 원인이 되는 물질이다. 지금까지는 전해질의 난연성을 강화하기 위해 전해액 분자에 과량의 불소 원자를 치환하거나 고농도의 염을 녹여 용액을 제조했다. 이에 따라 전해질의 이온 전달 능력이 저하되거나, 상용 전극과의 호환성이 떨어지는 문제가 발생해 경제성과 대량 생산성 측면에서 상용화에 한계가 있었다. 연구팀은 상용 리튬이온전지 전해액에 사용되는 대표적 선형 유기카보네이트 DEC(diethyl carbonate) 분자에 알킬 사슬 연장과 알콕시 치환을 동시에 적용해 분자 간 상호작용과 리튬염의 용해 능력을 높임으로써 인화점과 이온전도도가 함께 강화된 신규 전해액 BMEC(bis(2-methoxyethyl) carbonate)를 개발했다. BMEC 용액은 인화점이 기존의 DEC 용액보다 90°C 더 높은 121°C로 이차전지 작동 온도에서 점화원 발생 시에 불이 붙지 않았다. 또한, DEC에 단순히 알킬 사슬을 연장한 DBC(dibutyl carbonate) 용액보다 더 강한 리튬염 해리가 가능해 난연성 강화 시 리튬 이온 전달이 느려지는 문제를 해결했다. 이와 함께 개발된 전해액은 충전된 양극과 함께 고온에 노출되어도 상용 전해액 대비 가연성 기체 발생이 37%, 발열이 62% 감소하는 것을 확인했다. 또한, 신규 전해액을 대표적인 상용 전극 소재인 하이니켈 양극, 흑연 음극으로 구성된 1Ah급 리튬이온전지에 적용 후 500회 이상 안정적으로 구동시켜 호환성을 확보했고, 70% 충전된 4Ah급 리튬이온전지에 관통 시험을 실시해 열폭주가 억제됨을 확인했다. KIST 이민아 박사는 “이번 연구성과는 불가피하게 전해액의 성능과 경제성 저하를 수반했던 기존 난연성 전해액 연구에 새로운 방향성을 제시한 것”이라며, “개발된 난연성 전해액은 우수한 경제성과 고에너지 밀도 전극 소재와의 호환성을 갖고 있어서 기존의 전지 제조 인프라에 적용할 수 있을 것으로 기대되며, 궁극적으로 열적 안정성이 우수한 고성능 배터리의 등장을 앞당길 것”이라고 밝혔다. KITECH 백자연 박사는 “이번에 개발된 BMEC 용매는 저비용 촉매를 활용한 에스터교환반응(transesterification)으로 합성하여 손쉽게 스케일-업이 가능하다. 앞으로 C1가스(CO 또는 CO2)를 활용한 합성법을 추가로 개발하여 친환경성을 더욱 높일 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 운영되는 국가과학기술연구회 선행융합연구사업(CPS21071-100), 한국연구재단 중견연구 과제(NRF-2021R1A2C2006243)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 에너지 및 환경과학 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF 32.5, JCR 분야 상위 0.4%) 최신호에 게재됐다. * Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries [그림 1] 고인화점 전해액 분자 설계 전략과 상온 점화 특성 비교 [그림 2 ] 상용 및 신규 전해액을 적용한 4Ah 파우치 셀 관통 시험 결과 ○ 논문명: Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries ○ 학술지: Energy & Environmental Science ○ 게재일: 2023. 5. 10.(온라인 게재), 2023. 7. 12.(7월호 표지 공개일) ○ DOI: https://doi.org/10.1039/d3ee00157a ○ 논문저자 - 이지나 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터), - 전아리 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터) - 이민아 선임연구원(교신저자/KIST 에너지저장연구센터) - 서동화 교수(교신저자/KAIST) - 백자연 선임연구원(교신저자/한국생산기술연구원)