-20℃~60℃에서 안정적 충전과 방전 유지
외부 온도에 따라 충전 효율이 달라지는 이차전지의 한계를 극복한 새로운 형태의 전해액 기술이 국내에서 개발돼 앞으로 이차전지 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있는 길이 열렸다.
한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 최남순 교수연구팀은 영하 20℃~영상 60℃ 범위에서 안정적으로 충전할 수 있는 세계 최고 수준의 전해액 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.
개발된 전해액은 기존에 보고되지 않은 새로운 '솔베이션 구조'를 형성했으며, 안정적인 전극-전해질 계면 반응을 확보할 수 있는 첨가제 기술을 통해 리튬금속 전지의 수명 특성을 획기적으로 향상시켰다.
'솔베이션 구조'는 일반적으로 염(이온성 화합물) 농도가 낮은 전해액에서는 양이온이 전하를 띠지 않은 용매에 의해 둘러싸여 동심원의 껍질(Shell)을 형성하는 것을 말한다. 솔베이션 구조 개선 기술은 염 농도를 증가시키지 않고 배터리의 작동 온도 범위를 넓히는 매우 중요한 요소다.
연구팀은 기존에 보고된 전해액 내 리튬 이온의 이동이 제한적이고 구동할 수 있는 온도 범위의 한계가 있는 전해액들과는 달리 -20~60℃에서 안정적으로 작용할 수 있는 용매 조성 기술과 전극계면 보호기술을 적용해 기존 연구결과보다 현저하게 향상된 가역효율을 달성했다. 가역 효율이 높으면 그만큼 배터리 용량 손실이 줄어든다.
실험결과, 25℃ 상온에서 200회 충·방전 후 85.4%의 높은 방전용량 유지율을 보였고, 45℃ 고온에서 100회 충·방전 후 91.5%, -20℃ 저온에서 300회 충·방전 후에는 72.1% 발현하는 등 완전 충전-완전 방전조건에서 용량 유지율이 기존 대비 약 20% 높게 나타났다.
이번 전해액 기술은 리튬 코발트 산화물 양극을 사용해 넓은 온도 범위에서 성능을 극대화했다는 점에서 의미가 크다는 게 연구팀의 설명이다. 여기에 더해 60℃와 80℃ 고온에서도 저장 성능이 유지되는 점도 확인했다. 특히 리튬금속 전지용 전해액 기준 프레임을 제시해 리튬이차전지 전해액 시장에서 게임체인저가 될 것이라고 연구진은 내다봤다.
논문의 공동 제1저자인 KAIST 생명화학공학과 김세훈 박사과정은 "새로운 솔베이션 구조에 의한 리튬 이온의 이동도 향상과 구동 온도 범위의 확장 그리고 전해액 첨가제에 의한 안정적인 전극-전해질 계면 형성의 시너지 효과에 의해 기존에 보고된 리튬금속 전지용 전해액 기술 개발의 한계를 뛰어넘는 기술을 개발하게 됐다"고 말했다.
최남순 교수는 "개발된 전해액 기술은 기존에 보고된 전해액들과는 달리 리튬이온을 끌어당기는 힘이 다른 두 개의 용매를 사용하여 리튬이온이 잘 이동하게 하고 전극 표면에서도 원하지 않는 부반응을 감소시키는 새로운 솔베이션 구조를 형성해 리튬금속 전지 구동 온도 범위를 넓힌 획기적인 시도"라며 "이러한 솔베이션 구조 개선 기술과 전해액 첨가제에 의한 안정적인 전극-전해질 계면 형성의 시너지 효과는 고에너지 밀도 리튬금속 전지에서의 난제들을 효과적으로 해결하고 전해액 설계에 있어서 새로운 방향을 제시했다"고 강조했다.
이번 연구결과는 국제학술지 '에너지&인바이론멘탈 사이언스'(Energy & Environmental Science)에 게재됐다.
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