KAIST, 리튬이온 이차전지 수명 늘리는 전해질 첨가제 개발

현대차 지원으로 저비용 리튬인산철(LFP) 양극향 첨가제 기술 확보

전자전달과 이온전도 가능한 양극 보호층 형성

고온 수명 20%, 상온 수명 9% 향상…국제학술지 게재

[대전=뉴시스] 첨가제가 사용되지 않은 리튬인산철 양극과 KAIST 개발 첨가제를 적용한 리튬인산철 양극의 C-AFM 나노스케일 영상화 결과. 개발 첨가제를 사용한 경우 3D 전류신호가 비교적 높은 값(초록색 부분이 증가함)을 갖는다.(사진=KAIST 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = KAIST는 생명화학공학과 최남순 교수팀이 저비용 리튬인산철 양극과 흑연 음극으로 이뤄진 리튬이온 이차전지의 상온 및 고온 수명 횟수를 늘릴 수 있는 전해질 첨가제를 개발했다고 16일 밝혔다.

팩 단위에서 고에너지 밀도가 확보 가능하다는 장점이 있는 리튬인산철 양극은 낮은 전자전도도를 가져 계면층을 형성하기 어렵다. 이로 낮은 전자전도도를 개선할 전해질 첨가제가 필요하다.
 
기존 전해질 첨가제 연구는 주로 흑연 음극을 보호키 위해 설계돼 높은 이온전도도를 가짐과 동시에 전해질 부반응이 억제되고 수지상 리튬(Li dendrite)이 성장하지 않게 하도록 낮은 전자전도도를 갖는 계면층을 형성시켰다.

반면, 이번에 연구팀이 개발한 전해질 첨가제는 흑연 음극을 보호함과 동시에 발열 특성이 낮아 리튬인산철 양극을 보호하며 양극 표면에서 전자전도도와 이온전도도의 균형을 맞출 수 있다.

이는 배터리 충·방전 횟수 증가에 따른 급격한 용량 감소 문제를 해결할 수 있는 신 기술이다.

시험에서 개발된 전해질 첨가제는 내열성과 전도성이 우수한 전극 계면층을 형성해 리튬인산철 양극과 흑연 음극으로 구성된 전지의 구동 온도인 45도 500회, 25도 1000회 충·방전 후에도 각 초기용량의 80.8%, 73.3% 발현이 검증됐다. 이 수치는 첨가제가 없는 전해질과 비교해 각각 20.4%, 8.6% 향상된 기록이다.

또 이 기술은 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 의미가 크다.
 
현대자동차의 지원으로 이뤄진 이번 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 펑크셔널 머티어리얼스' 온라인판에 지난 9일자로 게재됐다. 논문명 Balancing Ionic and Electronic Conduction at the LiFePO4 Cathode–Electrolyte Interface and Regulating Solid Electrolyte Interphase in Lithium-Ion Batteries

논문 공동 제1 저자인 KAIST 생명화학공학과 문현규 연구원은 "현재 전기차용 전지가 약 10년 수명을 보장하므로 이번에 개발한 첨가제를 적용한다면 10~20% 향상된 11년에서 12년 수명을 보장할 수 있을 것"이라며 "또한 리튬인산철 양극의 낮은 전자전도 특성을 개선해 고속충전 효과가 있다"고 말했다.

최남순 교수는 "양산 수준의 전극 로딩 조건에서 상온부터 고온에 이르기까지 온도 내구성이 뛰어난 전극 계면층을 형성하는 전해질 첨가제 기술로 전기차 배터리 등에 활용이 기대된다"고 밝혔다.


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