리튬 전지 수명 획기적으로 늘린 '전해액 기술' 개발했다

KAIST 최남순 교수팀, 넓은 온도 범위서 극대화된 성능 전해액 기술 확보

새 솔베이션 구조의 전해액 조성 플랫폼 제시, 국제학술지 게재

솔베이 스페셜티 폴리머즈 코리아 및 ㈜후성 지원으로 이뤄

[대전=뉴시스] 전해액 솔베이션 구조의 변화(위)와 개발 전해액 조성의 작동 메커니즘 모식도.(사진=KAIST 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = KAIST는 생명화학공학과 최남순 교수팀이 넓은 온도 범위에서 리튬금속 전지의 고효율과 에너지를 유지할 수 있는 세계 최고 수준의 전해액 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.
 
개발된 전해액은 기존에 보고되지 않은 새로운 솔베이션 구조로, 안정적인 전극-전해질 계면반응(성질이 서로 다른 두 물질이 맞닿는 경계 면에서 일어나는 화학 반응)을 확보할 수 있는 첨가제 기술을 통해 리튬금속 전지의 수명을 획기적으로 향상시켰다. 솔베이션 구조는 염 농도를 증가시키지 않고 배터리의 작동 온도 범위를 넓히는 매우 중요한 인자다.

최 교수팀은 전해액 내 리튬 이온의 이동이 제한적이고 구동할 수 있는 온도 범위의 한계가 있는 기존 전해액들과는 달리 넓은 온도 범위(-20~60도)에서 안정적으로 작용할 수 있는 용매 조성기술과 전극계면 보호기술을 적용해 현저하게 향상된 가역 효율(영하 20도 300회 99.9%, 상온 200회 99.9%, 고온 45도 100회 99.8%)을 달성했다.

특히 개발된 전해액 기술은 상온(25도)에서 200회 충·방전 후에 첫 번째 사이클의 방전용량 대비 85.4%의 높은 방전용량 유지율을 보였다.
 
또 고온(45도)에서 100회 충·방전 후 91.5% 발현, 저온(영하 20도) 구동에서도 300회 충·방전 후 72.1% 발현하는 등 완전 충전-완전 방전조건에서 기존 상용 기술 대비 약 20% 높은 용량 유지율을 보여줬다.

이번에 개발된 새로운 솔베이션 구조의 전해액(PWSE) 기술은 리튬 코발트 산화물 양극을 사용해 영하 20도에서 60도의 넓은 온도 범위에서 극대화된 성능을 얻은 것은 물론 60도와 80도 고온 저장에서도 저장 성능을 유지할 수 있는 첨단기술이다.

솔베이 스페셜티 폴리머즈 코리아(Solvay Specialty Polymers Korea)의 지원과 ㈜후성의 첨가제 합성 기술지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 국제 학술지 '에너지 & 인바이론멘탈 사이언스 온라인판'에 지난달 13일자로 게재됐다.

논문 공동 제1 저자인 KAIST 생명화학공학과 김세훈 박사과정은 "새로운 솔베이션 구조에 의한 리튬 이온의 이동도 향상과 구동 온도 범위 확장, 전해액 첨가제에 의한 안정적인 전극-전해질 계면 형성의 시너지 효과에 따라 기존 리튬금속 전지용 전해액 기술의 한계를 뛰어넘는 신기술"이라고 말했다.

최남순 교수는 "개발된 전해액 기술은 리튬이온을 끌어당기는 힘이 다른 두 개의 용매를 사용해 리튬이온이 잘 이동하게 하고 전극 표면에서 원하지 않는 부반응을 감소시키는 새로운 솔베이션 구조를 형성해 온도 범위를 넓힌 획기적인 시도"라며 "고에너지 밀도 리튬금속 전지에서의 난제들을 효과적으로 해결하고 전해액 설계에 있어 새로운 방향을 제시했다"고 강조했다.


◎공감언론 뉴시스 [e-mail]