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COF, 리튬 이온 전지에 부착!

핸드폰, 노트북 등 우리가 휴대하는 많은 전자기기에는 배터리가 들어갑니다. 휴대할 수 있으려면 한번의 충전으로 오랫동안 지속이 되어야 하고, 가벼워야 합니다. 이러한 배터리로 요즘 대두되는 것이 리튬 이온 배터리입니다. 좋은 리튬 이온 전지를 만들려면 많은 성질을 고려해야 하는데, 그 중에서 대표적인 것이 리튬 이온 전지의 분리막입니다. 하지만 현재 리튬 이온 전지의 분리막은 여러모로 한계점을 가지고 있습니다. 가공이 쉽고, 저렴하고, 유연성과 튼튼함의 조화 등 여러 점을 고려해야 하기 때문입니다. 이런 상황에서 대두되는 분자가 COF(Covalent Organic Framework)입니다. 그렇다면 COF는 무엇이고 어떻기에 이온 전지에 적합한 걸까요?


COF(Covalent Organic Framework)란?

COF(Covalent Organic Framework)는 유기 단위체들이 공유결합을 형성하면서 만들어지는 안정하고, 다공성을 가진 결정 구조물을 말합니다. 그림에서 보실 수 있듯이, 노란색, 파란색으로 표현된 것이 단위체이고, 이 단위체들이 공유결합을 형성하여 결정구조를 이룹니다. 그 종류는 단위체의 형태에 따라 달라질 수 있습니다. 결정구조로는 육각형이거나, 사각형, 삼각형 등이 존재합니다.


그림 1. COF의 기본 제작 방식

그렇다면 COF는 어떻게 발전을 해왔을까요? 처음에는 1916년, 루이스의 Dot structure가 발표되면서 공유결합의 개념이 확립되었습니다. 공유결합은 COF형성의 핵심 과정이기 때문에 이것이 시작이라고 할 수 있습니다. 이후 Crown ether나 Spherand등 결정구조를 이루는 고분자들이 생기기 시작했습니다. 1차원 COF의 형성이었죠. 이후 점점 분자의 크기가 커지면서 2차원, 3차원으로 발전해 현재 상황에 놓여있습니다.


그림 2. COF의 간단한 발전 역사

COF를 만드는 반응식으로는 여러 반응이 있습니다. 따라서 반응에 따라 생기는 결정구조 또한 다양합니다. 몇 가지 예시를 살펴보면, Boroxine reaction은 육각 구조를 형성하고, Schiff base reaction은 사각형 구조를 형성합니다. 이외에도 다양한 반응이 존재하여 다양한 형태의 COF를 만들 수 있습니다. 근데 이런 점이 리튬 이온 전지에 좋게 작용하는 걸까요?


그림 3. COF 제작 반응식들
리튬 이온 배터리의 현 동향

리튬 이온 전지는 기본적으로 세 부분으로 구성되어 있습니다. 양극과 음극, 그리고 가운데 두 전극의 접촉을 막아주는 분리막입니다.


그림 4. 리튬 이온 전지

이 분리막이 아주 중요한 역할을 하는데, 이온 수송을 촉진할 뿐만 아니라, 적당한 안정성 및 유연성을 제공해주고, 리튬 이온전지의 빠른 방전을 막아줍니다. 여기서 알 수 있듯이 분리막의 조건은 다공성, 즉 구멍을 가지고 있어야 하고, 전해질을 잘 흡수해야 하며, 튼튼하면서도 가공이 쉬워야합니다. 무엇보다 저렴해야겠지요. 그리고 이 다공성을 조절하여 적절한 크기로 만들 수 있어야 합니다. 그리고 저항이 많이 크면 안됩니다. 왜냐하면 저항이 크게 되면, 이온 수송이 제한적이게 되므로 성능이 떨어집니다. 그리고 온도 안정성도 보장되어야 하죠. 하지만 현재 분리막은 이러한 조건적인 면에서 부족한 면이 있습니다/. 그래서 휴대폰 폭발 사고도 리튬 이온 전지의 불안정성 때문인 경우도 많이 있습니다. 현재 쓰이고 있는 대표적인 분리막으로는 PE(Polyethylene)이 있습니다.


그림 5. Separator로 쓰일 수 있는 여러 종류의 Polymer Separator

배터리를 연구하는 사람들은 이러한 분리막의 단점을 보완하기 위해서 다른 여러 종류의 분리막을 연구하였습니다. 아래 그림을 보면 알 수 있듯이, 기본적인 분리막(Porous separator)가 있고 그 밑에 여러 종류가 있습니다. 대표적인 한 가지를 보면 Polymer blends가 있습니다. Polymer blends는 여러 중합체(Polymer)들이 포함된 분리막입니다. 이런식으로 해결하는 것도 분리막으로 쓰일 수 있는 잠재력을 가진 여러 물질들의 가능성을 보여주기도 하였습니다. 하지만 기본적인 분리막에서 파생된 것은 아니지만 다공성, 안정성을 모두 겸비하여 분리막으로써 가능성을 가진 물질이 있는데, 그것이 COF입니다!


COF야 도와줘!

이쯤에서 COF를 살펴봅시다. 예상하실 수 있듯이 COF가 리튬 이온 전지의 분리막으로 쓰이게 되면 매우 큰 효과를 낼 수 있습니다. 일단 가공이 쉬운지를 봅시다. 앞서 언급한 것처럼 COF는 가공이 매우 쉽습니다. COF의 종류도 다양한 데다가 그에 따라 구멍의 크기도 다양하기 때문에 적절한 구멍 크기를 찾거나 두께, 전체적인 사이즈를 결정할 때 쉽게 할 수 있습니다. 무엇보다 앞서 언급한 중합체 분리막(Polymer separator)와 성능적인 측면에서 차이를 보입니다.


그림 6. Polymer 기반 Conductor와 COF 기반 Conductor의 비교

크게 두 가지 성질에서 차이를 보입니다. 하나는 결정구조이고, 다른 하나는 자유 부피(Free volume)의 차이입니다. 결정구조를 먼저 보면, Polymer는 위 사진에서 알 수 있듯이 구멍의 크기가 일정하지 않고 다양하게 존재하는 것을 알 수 있습니다. 이는 이온 수송에 좋지 않습니다. 그리고 다음은 자유 부피인데, 자유 부피는 말 그대로 “리튬 이온이 자유롭게 존재할 수 있는 부피” 의미합니다. 자유 부피가 일정하고 적당히 보장이 되어야 리튬이온이 잘 이동할 수 있겠죠. 하지만 보시다시피 중합체 기반 분리막은 자유 부피가 적고 일정하지 않지요. 따라서 COF 기반 분리막이 성능이 좋을 것을 예상할 수 있습니다.


COF의 미래

COF가 리튬이온 전지의 분리막으로서 쓰일 수 있다는 것은 하나의 가능성을 제시한 것입니다. 따라서 이것이 무조건적으로 분리막으로서 좋을 것이다라고 단정지을 수는 없습니다. 다만, 앞서 이야기했던 부분과 같이 리튬 이온 전지의 분리막이라면 가져야할 여러 조건에 부합하다는 점에서 가장 큰 가능성을 보유했다고 말할 수 있을 것입니다. 아직까지는 리튬 이온 전지가 들어간 여러 휴대용 기기에서 안정성이 완전히 보장되지는 않은 가운데, COF가 리튬 이온 전지의 활용도를 더욱 높여줄 것을 기대해도 좋을 것 같습니다!

 

박서준 | Chemistry & Biology | 지식더하기


참고자료

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Covalent_organic_framework

[2] https://www.chemistryviews.org/details/ezine


첨부한 이미지 출처

[1] https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsmaterialslett.9b00185

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Covalent_organic_framework

[3] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829719308840

[4] https://science.sciencemag.org/content/355/6328/eaal1585


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