[서울파이낸스 여용준 기자] 1회 충전에 500㎞ 이상 운행할 수 있는 전기자동차를 실현하기 위해서는 고에너지밀도 전지가 필수적이다. 리튬인산철 양극은 팩 단위에서 고에너지 밀도가 확보 가능하다는 장점이 있지만, 낮은 전자전도도를 가져 계면층을 형성하기 어렵다는 단점이 있다. KAIST 연구진은 최근 리튬인산철 양극의 낮은 전자전도도를 개선한 전해질 첨가제를 개발했다.
KAIST는 최남순 생명화학공학과 교수 연구팀이 저비용 리튬인산철 양극과 흑연 음극으로 구성된 리튬이온 이차전지의 상온 및 고온 수명 횟수를 늘린 전해질 첨가제 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.
기존 전해질 첨가제 연구는 주로 흑연 음극을 보호하기 위해 설계돼 높은 이온전도도를 가짐과 동시에 전해질 부반응이 억제되고 수지상 리튬이 성장하지 않게 하도록 낮은 전자전도도를 갖는 계면층을 형성시켰다.
연구팀이 이번에 개발한 전해질 첨가제는 흑연 음극을 보호함과 동시에 삼성분계 양극과는 달리 발열 특성이 낮아 셀 투 팩 기술 도입이 가능한 리튬인산철 양극을 보호하며 양극 표면에서 전자전도도와 이온전도도의 균형을 맞추는 데 성공했다. 이는 배터리 충·방전 횟수 증가에 따른 급격한 용량 감소 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술이다.
삼성분계 양극은 층상형 양극재의 한 종류로 니켈함량이 높을수록 양극 가역 용량이 높아져 배터리 용량을 증가시키나 발열량이 증가하고 비가역적인 전극 열화에 취약한 한계를 가진다. 셀 투 팩 기술은 높은 안정성을 가진 리튬인산철 양극 사용하여 단일 셀로 팩을 구성하는 기술로 모듈을 생략해 팩 단위에서 높은 에너지밀도를 가진다.
최남순 교수는 "이번 성과는 리튬인산철 양극을 보호하는 전해질 첨가제 기술로 이온전도와 함께 전자전달이 가능한 양극 계면층을 형성하는 것이 전해질의 상한한계전압보다 낮은 충전전압조건을 가진 배터리 성능을 확보하는 핵심기술"이라고 말했다.
이번 연구에서 최남순 교수와 문현규, 김동욱(現 LG에너지솔루션) 연구원은 전해질 시스템 개발과 실험적 원리 규명을 담당했다. 홍승범 KAIST 교수와 박건(現 LG에너지솔루션) 연구원은 전도성 원자현미경(C-AFM) 분석을 통해 전해질 첨가제가 적용된 리튬인산철 양극 표면에서의 전자전도도를 나노스케일로 영상화했다.
한편 이번 연구는 국제 학술지 '어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈'에 5월 9일자 온라인 공개됐다. 연구 수행은 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다.
