국내 연구진이 전기차 리튬이온 배터리를 15분만에 충전시킬 수 있는 혁신적인 전해질 기술을 개발했다.
한국과학기술연구원(KAIST) 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀과 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀은 전해질 용매 '아이소부니트릴'(isoBN)을 이용해 전해질 내에서 용매화(Solvation) 구조를 조절하는 방식으로 리튬이온을 원활하게 이동시켜 15분만에 81%까지 충전하는데 성공했다고 17일 밝혔다.
기존 리튬이온전지 전해질로 사용되는 에틸렌 카보네이트(EC) 전해액은 높은 점성과 강한 용매화 특성 때문에 큰 결정립으로 구성된 음극 계면층(SEI)을 형성해 리튬이온이 월활하게 이동하지 못하도록 막으며, 음극 계면층 위에 리튬이 전착된다.
리튬 전착은 리튬이온이 이동하지 못하고 표면에 금속 형태로 달라붙는 현상이다. 리튬이 무분별하게 전착되면 사용할 수 있는 리튬이 빨리 고갈돼 전지 성능과 내구성이 현저히 떨어지게 되고, 화재 발생 위험도 높아진다.
이에 최남순 교수팀은 이 문제를 해결하기 위해 에틸렌 카보네이트(EC)를 '아이소부티로니트릴'(isoBN)이라는 새로운 전해질 용매로 대체했다. 그 결과, 음극 계면층의 결정립 크기가 감소되면서 배터리의 고속충전 시간을 크게 단축할 수 있게 됐다.
isoBN 용매는 EC에 비해 리튬이온과 결합하려는 성질이 매우 약하다. 따라서 EC보다 점성도는 55% 낮아졌고, 이온전도성은 54% 향상된 전해질 시스템을 개발할 수 있었다. isoBN 용매를 이용한 전해질은 고속충전 시간이 15분으로 기존의 절반 수준으로 단축됐다. 또 비가역성 리튬전착 현상이 없기 때문에 300회 정도로 고속충전을 해도 리튬의 용량이 94.2%에 달하는 것으로 나타났다.
이번 연구에서 음극 계면층의 결정립 크기와 배열상태 그리고 전해질의 용매화 구조가 리튬이온전지의 고속충전 시간에 결정적 영향을 주는 핵심요소라는 사실이 밝혀졌다는 것도 의미있는 성과로 꼽힌다.
최남순 교수는 "이번에 개발한 전해질 기술로 배터리 충전시간을 단축시켜 전기차 대중화를 앞당기는 데 큰 진전을 이루게 됐다"며 "앞으로 에너지저장장치(ESS), 드론, 우주항공 산업 등 다양한 분야에서 리튬이온전지의 고속충전 기술로 쓰이게 될 것으로 기대한다"고 말했다.
이번 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'(Advanced Materials) 3월 11일자에 게재됐다.
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