국내 연구진이 리튬 이차전지의 에너지 밀도를 높이고 안정성을 높여줄 새로운 용매를 개발했다.
한국과학기술연구원(KAIST) 생명화학공학과 최남순 교수팀은 울산과학기술연구원(UNIST) 화학과 홍성유 교수팀, 서울대 화학생물공학부 이규태 교수팀, 고려대 화공생명공학과 곽상규 교수팀, 경상국립대 나노·신소재공학부 고분자공학전공 이태경 교수와 함께 4.4볼트(V)의 고전압에서 리튬 금속전지의 효율과 에너지를 유지하는 세계 최고 수준의 전해액 조성 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.
연구팀은 환형 설폰아마이드 계열의 새 용매인 'TFSPP'를 합성해 전해액 주 용매로 사용했으며 전극-전해액 계면을 안정화하는 첨가제 기술과 조합해 리튬 금속전지의 수명 성능 및 고속 충전 특성을 획기적으로 높이는 데 성공했다.
리튬 금속전지 수명을 늘리기 위해선 전해액의 이온전달 성능뿐만 아니라 전극 표면을 보호하는 기술이 필수적이다. 전자를 주는 성질이 강한 리튬금속 음극과 전자를 뺏으려는 고전압 양(+)극에 접촉하고 있는 전해액이 분해되지 않도록 전극과 전해액 사이에 보호층을 형성시켜야 한다.
연구팀의 새 용매는 고전압에서도 안정적으로 사용할 수 있기 때문에 이를 첨가제 기술과 접목해 현저하게 향상된 가역 효율을 달성했다. 가역 효율이란 배터리의 가역성을 의미하는데 효율이 높을수록 사용시 배터리 용량 손실이 적다는 뜻이다. 초대용량의 배터리라도 가역성이 높지 않다면 실용화가 어렵다.
또한 완전 충전-완전 방전 조건에서 첫 사용 방전용량 대비 200회 사용 방전용량으로 용량 유지율(수명)을 측정하는데, 개발된 전해액 기술은 리튬 대비 4.4V 높은 충전 전압 조건에서 다른 전해액보다 약 5% 정도 높은 75%의 높은 방전용량 유지율을 보였다. 이에 더해 높은 고전압 안정성으로 전지 내부 가스 발생도 억제할 수 있다.
연구팀은 두 가지 이온성 첨가제를 도입해 리튬 금속 음극에 형성된 보호층이 부피 변화를 견딜 수 있도록 설계했다. 전자 방출 경향성이 높은 첨가제를 적용해 양(+)극 표면에 보호층을 형성해 양(+)극의 구조 안정성을 향상시켰다. 개발된 새로운 구조의 고전압 용매는 전극을 보호하는 첨가제와 함께 상승효과를 일으켜 고전압 리튬 금속전지 성능을 극대화했다는 점에서 그 의미가 크다.
최남순 교수는 "새로운 구조로 디자인된 TFSPP 용매는 기존 용매에 비해 열적 및 고전압 안정성이 매우 우수하고 전지 구동 중 전해액 분해를 최소화해 전지 내압 상승요인인 가스 발생도 억제한다"라며 "고전압 리튬 금속전지 실용화를 위한 전해액 설계에 있어서 새로운 이정표를 제시했다"고 말했다.
이번 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 머터리얼즈'에 6일자 온라인 게재됐다.
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