UNIST·서울대·고려대 등 참여
세계 최고 수준의 전해액 조성 기술 개발
가역 효율 99.9% 달성
국내 연구팀이 휴대용 전자기기 및 전기차에 사용되는 리튬 이차전지의 에너지 밀도를 향상시키고 고전압에서의 안정성을 개선할 수 있는 새로운 용매를 개발했다고 발표했다.
국내 연구팀, 리튬 금속 전지 성능 유지 위한 전해액 기술 개발
한국과학기술원(KAIST)의 최남순 교수 연구팀이 19일 울산과학기술원(UNIST) 홍성유 교수, 서울대 이규태 교수, 고려대 곽상규 교수, 경상국립대 이태경 교수와 협력해 4.4V의 높은 충전 전압에서도 리튬 금속 전지 효율과 에너지를 유지할 수 있는 세계 최고 수준의 전해액 조성 기술을 개발했다고 알렸다.
리튬 금속 전지의 장기 사용을 위해서는 전해액 이온 전달 성능과 함께 전극 표면 보호가 중요하다. 이를 위해 연구팀은 높은 충전 전압에서도 안정적으로 사용 가능한 새로운 용매를 합성하고 이를 사용함으로써 전극과 전해액 사이에 보호층을 형성해 전해액이 분해되지 않도록 했다.
이 새로운 용매를 활용한 전해액은 기존 용매들과 비교해 높은 충전 전압에서의 안정성을 보여주며 첨가제 기술을 접목해 상온에서 200회 충전과 방전을 반복해도 99.9%의 높은 가역 효율을 달성했다. 가역 효율이 높다는 것은 배터리의 용량 손실이 적음을 의미한다.
특히 이 전해액 기술은 리튬 대비 4.4V 높은 충전 전압 조건에서도 기존 전해액보다 약 5% 더 높은 75%의 방전용량 유지율을 달성했다.
세계 최초 환형 설폰아마이드 용매 개발
연구팀이 세계 최초로 발표한 환형 설폰아마이드 계열의 새로운 용매 ‘TFSPP’는 고전압 상황에서의 안전성이 기존 용매에 비해 뛰어나다. 이로 인해 전지 내부 가스 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.
이 연구에서는 두 가지 이온성 첨가제를 사용해 리튬 금속 음극에 형성되는 보호층이 부피 변화에 견딜 수 있도록 설계했다. 또한 전자 방출 경향성이 높은 첨가제의 도입으로 양극 표면에도 보호층을 형성함으로써 양극의 구조적 안정성을 크게 향상시켰다.
최남순 교수는 “TFSPP 용매의 새로운 구조 설계는 열적 및 고전압 안정성을 대폭 강화했으며 전지 구동 중 전해액의 분해를 최소화해 전지 내부 압력 상승을 유발하는 가스 발생을 억제하는 데 기여했다”고 설명하며 “고전압 리튬 금속 전지의 실용화를 위한 전해액 설계에 있어 새로운 이정표를 세웠다”고 덧붙였다.
이 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’에 3월 6일 온라인으로 공개됐다.
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