MIT, 전해질 분자를 재설계하지 않고 크기를 줄여 배터리의 트레이드오프를 깨다

나트륨 금속 배터리는 나트륨이 리튬보다 약 1,000배 풍부하고 파운드당 비용이 약 100분의 1이라는 점에서 매력적이지만, 나트륨 금속은 반응성이 매우 높아 하나의 배터리에서 장기 안정성과 빠른 충·방전을 동시에 얻기 어렵다. 전극 사이에서 하전 이온을 운반하는 구성 요소인 전해질이 보통 병목이다. 대부분의 전해질은 전극과 반응하여 불용성 화합물을 축적하고 이온 수송을 막아 결국 배터리를 죽인다.

2021년 같은 MIT 연구진은 리튬 배터리에서 양쪽 전극 모두에서 안정하게 유지되는 설폰아마이드 용매인 DMTMSA를 확인했으며, 그룹 리더 Ju Li는 이를 '마법처럼 안정하다'고 표현했다. 나트륨 배터리에 대한 미해결 질문은 관련 분자가 그 안정성을 유지하면서 동시에 나트륨 이온을 빠르게 이동시킬 만큼 작을 수 있는지였다. 부피가 큰 용매 분자는 큰 여행 가방이 군중 속을 지나가는 사람의 이동을 늦추는 것처럼 이온 수송을 느리게 하기 때문이다.

연구팀은 폭넓게 탐색하는 대신 DMTMSA와 구조적·전자적으로 유사한 '동족체' 분자로 탐색을 제한했으며, 같은 계열에 속하는 것이 안정성을 보존할 가능성이 더 높다고 판단했다. 박사과정 학생 Chia-Wei Hsu는 24시간 만에 100,000개의 후보 분자를 생성하고, 모양과 전자적 특성 기준으로 200개로 좁힌 뒤, 그 범위를 대표하는 27개의 후보를 선정해 동일한 조건에서 실험실 테스트를 진행하는 AI 기반 알고리즘을 구축했다.

27개 중 가장 작은 DMFSA가 안정성과 빠른 이온 수송이라는 두 축 모두에서 우승했다. 연구팀은 이제 DMFSA 자체를 출발점으로 같은 동족체 탐색 과정을 반복하여 더 나은 용매를 찾기를 기대하며, 분자 크기와 계열 유사성을 탐색 변수로 사용하는 근본 방법을 나트륨 배터리를 넘어 적용 가능한 일반적인 전해질 설계 원리로 제시한다.

알려진 안정한 용매와 구조적으로 유사한 분자만 탐색한 뒤 그중 가장 작은 것을 선택한다

후보를 입증된 안정한 용매와 구조적으로 관련된 분자로 제한함으로써 연구팀은 안정성과 속도를 처음부터 맞바꾸는 도박을 하지 않았다. 유사성이 안정성에 대한 사전 정보 역할을 했다.

컴퓨터로 100,000개의 후보를 생성하고 27개로 필터링함으로써, 비용이 많이 드는 단계인 전해질 합성 및 직접 비교 테스트는 짧은 목록에 대해서만 수행하면 되었다.

27개의 최종 후보를 모두 동일한 조건에서 테스트함으로써 비교는 서로 다른 설정으로 인해 교란된 결과가 아니라 어떤 트레이드오프 지점이 이겼는지에 대한 공정하고 직접적인 판독이 되었다.

독립 연구자(Jinhyuk Lee, 맥길 대학교)는 크기와 유사성 접근법이 이 시스템뿐 아니라 다른 에너지 저장 화학에도 일반화될 수 있다고 평가했다.

두 속성이 트레이드오프 관계에 있을 때 전체 공간이 아니라 알려진 좋은 예와 관련된 분자를 탐색하라. 계열을 고정한 채 크기를 최적화하면 열린 탐색이 테스트 가능한 짧은 목록으로 바뀐다.

연구 결과는 MIT 연구팀 15명에 의해 저널 Joule에 게재되었다. 연구팀은 DMTMSA 대신 DMFSA를 새로운 기준점으로 사용하는 두 번째 동족체 탐색 라운드로 넘어갔으며, 안정성과 충전 속도 모두에서 더욱 개선된 용매를 찾는 것을 목표로 한다. 이 연구는 한국연구재단 보조금과 미국 국립과학재단 대학원 연구 펠로우십의 일부 지원을 받았으며, 특성 분석 장비는 MIT.nano에서 제공했다.