리튬이차전지 전해액 기술 개발

전기차 보급이 확대되면서 1회 충전에 긴 주행거리를 가능하게 하거나 넓은 온도 범위에서 충전과 방전을 할 수 있는 고용량, 고에너지밀도 이차전지 개발의 필요성이 커지고 있다.

카이스트(KAIST)는 생명화학공학과 최남순(사진) 교수 연구팀이 넓은 온도 범위에서 리튬금속 전지의 높은 효율과 에너지를 유지하는 세계 최고 수준의 전해액 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

개발된 전해액은 기존에 보고되지 않은 새로운 솔베이션 구조를 형성했으며 안정적인 전극-전해질 계면 반응을 확보할 수 있는 첨가제 기술을 통해 리튬금속 전지의 수명 특성을 획기적으로 향상시켰다.

일반적으로 염(이온성 화합물) 농도가 낮은 전해액에서는 양이온이 전하를 띠지 않은 용매에 의해 둘러싸여 동심원의 껍질(Shell)을 형성하는데 이를 솔베이션 구조라고 한다. 이런 솔베이션 구조 개선 기술은 염 농도를 증가시키지 않고 배터리의 작동 온도 범위를 넓히는 매우 중요한 인자로 여겨진다.

최남순 교수 연구팀은 기존 보고된 전해액 내 리튬 이온의 이동이 제한적이고 구동할 수 있는 온도 범위의 한계가 있는 전해액들과는 달리 넓은 온도 범위(영하 20~ 영상 60도)에서 안정적으로 작용할 수 있는 용매 조성 기술과 전극계면 보호기술을 적용했다.

또 완전 충전-완전 방전조건에서 첫 사이클 방전 기준 용량 80%가 나오는 횟수까지를 배터리 수명으로 보고 있는데 개발된 전해액 기술은 상온(25도)에서 200회 충방전 후에 첫 번째 사이클의 방전용량 대비 85.4%의 높은 방전용량 유지율을 보였다.

또 고온(45도)에서 100회 충방전 후 91.5% 발현, 저온(영하 20도) 구동에서도 300회 충방전 후 72.1% 발현하는 등 완전 충전-완전 방전조건에서 기존 상용 기술 대비 약 20% 높은 용량 유지율을 구현했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘에너지 & 인바이론멘탈 사이언스’ 9월 13일 온라인 공개됐다. 구본혁 기자