[서울파이낸스 여용준 기자] 우리나라 연구진이 리튬 이차전지의 에너지 밀도를 높이고 고전압 구동시 안정성을 높여줄 용매를 개발하는데 성공했다.
KAIST는 최남순 생명화학공학과 교수팀이 홍성유 UNIST 화학과 교수팀, 이규태 서울대 화학생물공학부 교수팀, 곽상규 고려대 화공생명공학과 교수팀, 이태경 경상국립대 나노·신소재공학부 고분자공학전공 교수와 공동연구를 통해 4.4V의 높은 충전 전압에서 리튬 금속전지의 효율과 에너지를 유지하는 전해액 조성 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.
리튬 금속전지를 오랜 시간 사용하기 위해서는 전해액의 이온 전달 성능뿐 아니라 전극 표면을 보호하는 것이 필수적이다. 전자를 주는 성질이 강한 리튬금속 음극과 전자를 빼앗으려는 고전압 양극에 접촉하고 있는 전해액이 분해되지 않도록 전극과 전해액 사이에 보호층을 형성시켜야 한다.
최남순 교수 연구팀은 구동할 수 있는 상한 전압의 한계가 있는 용매들과는 달리 높은 충전 전압에서 안정적으로 사용할 수 있는 새로운 용매를 합성하는 데 성공했으며 이를 첨가제 기술과 접목해 상온 200회에서 99.9%의 향상된 가역 효율을 달성했다.
또 완전 충전-완전 방전 조건에서 첫 사이클 방전용량 대비 200사이클의 방전용량으로 용량 유지율을 측정하는데 개발된 전해액 기술은 리튬 대비 4.4V 높은 충전 전압 조건에서 다른 전해액보다 약 5% 정도 높은 75.0%의 높은 방전용량 유지율을 보였다.
가역 효율은 매 사이클마다 전지의 방전용량을 충전용량으로 나눠 백분율로 나타낸 값으로 배터리의 가역성을 의미한다. 가역 효율이 높을수록 매 사이클마다 배터리 용량 손실이 적다. 아무리 높은 용량을 구현하는 배터리라도 가역성이 높지 않다면 실용화가 어렵다.
연구팀이 이번 연구에서 세계 최초로 합성 및 보고한 환형 설폰아마이드 계열 용매인 TFSPP는 기존에 사용되는 용매보다 우수한 고전압 안정성을 가져 전지 내부 가스 발생을 억제할 수 있음을 확인했다.
'환형 설폰아마이드 용매'는 질소원자 1개원 탄소원자 5개로 구성된 6원자 고리구조와 리튬염 구조를 모방한 작용기를 연결해 제조됐으며 기존 에테르계 유기용매와 비교해 3배 이상 높은 열안정성을 가진다. 또 상온에서 액체상태이며 리튬염을 녹일수 있는 용매다. 불에 잘 타는 일반적인 유기용매와는 달리 불에 타는 성질이 낮은 리튬염의 음이온 구조가 포함돼있어 화재 우려를 낮출 것으로 기대된다.
또 연구팀은 두 가지 이온성 첨가제를 도입해 리튬 금속 음극에 형성된 보호층이 부피 변화를 견디도록 설계했다. 연구팀은 전자 방출 경향성이 높은 첨가제를 적용해 양극 표면에 보호층을 형성해 양극의 구조 안정성을 향상시켰다.
이번 논문의 공동 제1 저자인 KAIST 생명화학공학과 김세훈 박사과정은 "용매와 첨가제의 조합 기술을 통해 실용화가 가능한 리튬 금속전지용 용매 조성 프레임을 개발했으며 전지의 사용기간을 연장하는, 보다 안정적인 전극-전해액 계면층을 형성하는 새로운 전해액 조성 기술을 개발했다"라고 말했다.
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 발생을 억제하는 전해액 용매"라며 "TFSPP를 주 용매로 사용해 전지의 고온 안정성을 개선했으며 본 연구팀 고유기술인 다중층 전극-전해액 보호층 형성을 통해 안정화함으로써 고전압 리튬 금속전지 실용화를 위한 전해액 설계에 있어서 새로운 이정표를 제시했다"고 설명했다.
한편 이번 연구는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 3월 6일 자로 온라인 공개됐다.
