• - KAIST-현대차, 저비용 리튬인산철 양극향 첨가제기술 최초 개발
  - 고온수명 20%, 상온수명 9% 향상된 기술로 바로 적용 가능
  

전기차.[게티이미지뱅크]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 1회 충전에 500km 이상 운행할 수 있는 고에너지밀도 전지를 구현할 핵심기술 개발에 성공했다.

KAIST는 생명화학공학과 최남순 연구팀이 저비용 리튬인산철 양극과 흑연 음극으로 구성된 리튬이온 이차전지의 상온 및 고온 수명 횟수를 늘린 전해질 첨가제 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

기존 전해질 첨가제 연구는 주로 흑연 음극을 보호하기 위해 설계돼 높은 이온전도도를 가짐과 동시에 전해질 부반응이 억제되고 수지상 리튬(Li dendrite)이 성장하지 않게 하도록 낮은 전자전도도를 갖는 계면층을 형성시켰다.

연구팀이 개발한 전해질 첨가제는 흑연 음극을 보호함과 동시에 리튬인산철 양극을 보호하며 양극 표면에서 전자전도도와 이온전도도의 균형을 맞추는 데 성공했다. 이는 배터리 충·방전 횟수 증가에 따른 급격한 용량 감소 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술이다.

이 기술은 일반적인 실험실 수준이 아닌 기업에서 요구하는 수준의 높은 합재 밀도를 가진 흑연 음극과 리튬인산철 양극을 사용해 배터리의 상온 및 고온 장수명을 실현했다는 점과 저비용으로 극대화된 효율을 낼 수 있는 리튬인산철용 전해질 첨가제 디자인의 방향성을 제시했다는 점에서 그 의미가 크다.

첨가제가 형성하는 고체 전해질 계면막에 대한 디자인 모식도.[KAIST 제공]

개발된 전해질 첨가제는 내열성과 전도성이 우수한 전극 계면층을 형성해 리튬인산철 양극과 흑연 음극으로 구성된 전지의 구동 온도인 45℃도 500회, 25℃ 1000회 충·방전 후에도 각각 초기용량의 80.8%, 73.3%를 발현했다. 이는 첨가제가 없는 전해질과 비교하여 각각 20.4%, 8.6% 향상된 수치다. 현재 전기차용 전지가 약 10년 수명을 보장하므로 개발한 첨가제를 적용한다면 10~20% 향상된 11년에서 12년 수명을 보장할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.

최남순 교수는 “이번 성과는 리튬인산철 양극을 보호하는 전해질 첨가제 기술로 이온전도와 함께 전자전달이 가능한 양극 계면층을 형성하는 것이 전해질의 상한한계전압보다 낮은 충전전압조건을 가진 배터리 성능을 확보하는 핵심기술”이라며 “양산 수준의 전극 로딩 조건에서 상온에서부터 고온에 이르기까지 온도 내구성이 뛰어난 전극 계면층을 형성하는 전해질 첨가제 기술로 전기차 배터리 등에 활용이 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈’ 5월 9일 온라인 공개됐다.