UNIST·KAIST, 리튬금속배터리 수명 3배 늘리는 전해액 개발

부적합하다고 여겨진 EC·SL 용매 혼합해 성능 개선

4.5V 충전 후 150회 충·방전에도 초기 용량 80% 유지

[울산=뉴시스] 두 용매를 섞었을 때 나타나는 '협동 용매화' [email protected] *재판매 및 DB 금지

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 울산과학기술원(UNIST)와 한국과학기술원(KAIST) 공동연구팀이 리튬금속배터리의 수명을 기존보다 약 3배 늘릴 수 있는 새로운 전해액을 개발했다. 배터리 전해액에 적합하지 않다고 여겨진 두 용매를 혼합해 리튬 손실을 줄이는 새로운 설계 원리를 제시했다.

UNIST 에너지화학공학과 송현곤 교수와 KAIST 신소재공학과 서동화 교수 연구팀은 리튬금속배터리의 내구성을 높이는 전해액을 개발했다고 12일 밝혔다.

리튬금속배터리는 기존 리튬이온배터리에서 사용하는 흑연 대신 리튬금속을 음극으로 활용한다. 이론적으로 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 전기차와 에너지저장장치(ESS) 등에 활용할 차세대 배터리로 주목받고 있다.

그러나 충·방전 과정에서 리튬금속이 전해액과 반응해 소모되면서 배터리 용량이 빠르게 줄어드는 한계가 있다. 특히 더 많은 에너지를 저장하기 위해 높은 전압으로 충전하면 전해액 분해와 전극 손상이 심해질 수 있다.

연구팀은 에틸렌카보네이트(EC)와 설폴레인(SL)을 3대 7 비율로 혼합하고 리튬염과 소량의 첨가제를 더해 전해액을 만들었다. 두 용매는 각각 리튬이온을 강하게 붙잡는 특성이 있어 기존에는 리튬금속배터리에 적합하지 않은 물질로 여겨졌다.

리튬이온이 음극 표면에 리튬금속으로 석출되려면 주변을 둘러싼 용매 분자를 떼어내는 과정이 필요하다. 하지만 용매가 리튬이온을 강하게 붙잡으면 이 과정이 어려워진다. 리튬이 불균일하게 쌓이면서 보호막이 손상되고 전해액과의 부반응으로 리튬이 소모될 가능성도 커진다.

연구팀은 두 용매를 혼합하면 오히려 리튬이온과 용매 사이의 결합력이 약해지는 현상을 확인했다. 두 용매 분자가 서로 끌어당기면서 리튬이온을 붙잡는 힘이 줄어드는 것이다. 연구팀은 이 현상을 '협동 용매화'로 명명했다.

[울산=뉴시스] 송현곤 교수(좌측)와 홍진기 연구원. (사진= UNIST 제공) [email protected] *재판매 및 DB 금지

이 원리를 적용한 전해액을 하이니켈 양극 배터리에 사용한 결과 25도에서 4.5V까지 충전하며 150회 충·방전을 진행한 뒤에도 초기 용량의 약 80%를 유지했다. 기존 탄산염계 전해액을 사용한 배터리는 약 50회 만에 초기 용량의 80% 이하로 떨어졌다.

전해액 분해에 따른 가스 발생과 양극에서 니켈이 녹아 나오는 현상도 줄었다. 초기 쿨롱효율은 98.24%였으며 평균 쿨롱효율은 99.35%를 기록했다. 쿨롱효율은 충전 과정에서 석출된 리튬 가운데 방전 과정에서 다시 활용할 수 있는 리튬의 비율을 나타내는 지표다.

제1저자인 홍진기 연구원은 "결합력이 강한 두 용매를 섞어 오히려 리튬이온과의 결합을 약하게 만드는 것은 기존의 전해질 설계 통념을 뒤집는 새로운 설계 원리"라며 "리튬금속배터리뿐 아니라 상용 리튬이온배터리의 전해액 성능을 높이는 데도 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

송현곤 교수는 "고가의 불소계 용매나 고농도 염에 의존하지 않고도 상용 용매를 이용해 전해액 성능을 높였다"며 "전기차와 ESS 등에 쓰일 고용량 리튬금속배터리를 더 오래 사용하는 데 도움이 될 것으로 기대한다"고 밝혔다.

이번 연구는 산업통상자원부 한국산업기술기획평가원(KEIT)과 국가과학기술연구회(NST)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 나노과학 분야 국제학술지 'ACS Nano'에 8월 11일 게재됐다.


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