기존 리튬 이온 배터리는 -20°C 이하 환경에서 전해질 점도 증가, 이온 전도도 감소, 인터페이스 전하 전달 임피던스의 급격한 증가 등의 문제가 발생하기 쉬우며 이로 인해 배터리 성능이 급속히 저하되거나 심지어 고장이 날 수도 있습니다. 따라서, 극저온 조건에서 효율적인 벌크 이온 수송과 안정적인 계면 역학의 동시 구현은 저온 에너지 저장 장치 분야에서 극복해야 할 핵심 문제가 되었습니다.
최근 중국과학원 전기공학연구소 마얀웨이(Ma Yanwei) 팀은 -100°C의 극저온 환경에서 작동할 수 있는 리튬 이온 커패시터를 성공적으로 개발하여 이러한 유형의 장치의 저온 작동 기록을 깨뜨렸습니다. 관련 결과는 '독일 응용화학(German Applied Chemistry)'에 게재됐다.
연구팀은 전해질 용매의 분자 구조 설계와 약한 쌍극자 상호작용의 조절을 시작으로 새로운 저온 전해질 설계 전략을 제안했다.
용매 분자에 강한 전자 흡인 효과를 갖는 불소화기(-CF3)를 도입함으로써 기존 전해질의 견고한 용매화 껍질이 깨지고 독특한 용매-음이온 배위 약한 응집 구조(AGG-w) 저온 전해질이 구축됩니다.
이렇게 약하게 응집된 전해질은 높은 이온 전도도, 낮은 점도, 저온에서 넓은 액체 범위 등 우수한 벌크 특성을 유지할 뿐만 아니라 낮은 임피던스와 빠른 전달이라는 안정적인 계면 역학 특성을 달성합니다.
이 새로운 저온 전해액을 기반으로 제작된 1100F 리튬이온 커패시터는 -100°C의 극저온 환경에서도 안정적인 방전을 성공적으로 달성했다.
이번 연구는 극한 환경에서 리튬이온 커패시터의 응용 병목 현상을 해결할 뿐만 아니라 극한 환경에 적합한 고성능 전기화학 시스템 개발을 위한 이론적 기반을 마련합니다.이는 우리나라의 심우주 탐사 및 극지 전략을 실행하는 데 있어 매우 중요한 의미를 갖습니다.
