차세대 전기차 배터리용 양극 ‘리튬인산철’ 수명 2년 늘렸다

최남순 KAIST 생명화학공학과 교수 연구진
벤조트리아졸·트리메틸실린 작용기로 성능과 수명 한 번에 잡아

중국 전기차 기업 비야디(BYD)의 리튬인산철 블레이드 배터리. 리튬인산철은 리튬이온전지 양극으로 사용하면 에너지 밀도를 크게 높일 수 있으나 전자전도도가 낮아 보호층을 만들기 어렵다는 단점이 있다. 한국과학기술원(KAIST) 연구진은 전해질 첨가제를 이용해 리튬인산철의 보호층을 만들 수 있는 기술을 개발했다./비야디

국내 연구진이 전기차의 주행 성능을 높이는 전해질 첨가제를 개발했다. 높은 에너지 밀도를 가져 장거리 주행을 가능케 하는 리튬인산철(LFP) 양극의 단점을 보완하는 것은 물론 수명도 2년 가량 늘릴 수 있을 것으로 기대된다.

최남순 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수가 이끄는 연구진은 리튬인산철 양극 리튬이온전지의 수명을 늘리는 전해질 첨가제 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

리튬이온전지는 리튬이온이 전해질을 통해 양극과 음극을 오가면서 발생하는 화학반응을 통해 전기에너지를 만든다. 리튬이온전지를 충전할 때는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하고, 사용할 때는 음극에서 양극으로 이동한다. 리튬 금속이 이온으로 바뀌면서 내놓은 전자는 외부 전선을 통해 이동하면서 전류를 만드는 원리다.

이 중 양극은 배터리의 용량과 전압을 결정한다. 전기차의 주행 거리는 배터리의 에너지 밀도에 의해 결정되는 만큼 우수한 특성의 양극재를 사용해야 한다. 리튬인산철 양극은 에너지 밀도를 높일 수 있어 최근 주목 받고 있다. 국내에서는 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온을 비롯한 기업에서 리튬인산철 배터리 개발을 추진하고 있다. 다만 리튬인산철은 전자전도도가 낮아 전해질과의 보호층을 만들기 어렵다는 단점 때문에 상용화는 늦어지고 있다.

KAIST 연구진은 리튬인산철 양극의 낮은 전자전도도를 보완할 수 있는 전해질 첨가제를 개발해 이 같은 문제를 해결했다. 기존 전해질 첨가제는 주로 흑연 음극을 보호하기 위한 목적으로 개발됐다. 안전성을 높이기 위한 이온전도도는 높이면서 전자전도도는 낮춰 리튬인산철 양극의 성능을 하락시키는 요인이었다.

한국과학기술원(KAIST) 연구진이 개발한 전해질 첨가제의 작동 원리. 리튬인산철(LFP) 양극의 보호층을 만들어 전지 수명을 늘린다. 리튬인산철 양극을 높은 에너지 밀도를 가져 전기차 주행 거리를 대폭 늘릴 수 있는 소재다./한국과학기술원

연구진은 벤조트리아졸과 트리메틸실린 작용기가 함께 있는 새로운 소재를 개발해 전해질 첨가제로 사용했다. 벤조트리아졸 작용기는 전자전도도를 높여 리튬인산철 양극의 전자전도도와 이온전도도의 균형을 맞추는 효과를 낸다. 트리메틸실린은 양극과 음극의 보호층을 녹이는 불화수소(HF)의 형성을 막아 수명과 안전성을 높인다.

이렇게 개발한 전해질 첨가제를 사용했을 때 전지 수명은 구동 온도 45도에서 500회, 25도에서 1000회 충·방전을 반복해도 각각 초기 용량의 80.8%와 73.3%를 유지하는 것으로 나타났다. 첨가제를 사용하지 않았을 때와 비교하면 각각 20.4, 8.6% 개선된 수치다. 일반적인 전기차용 전지의 수명을 10년으로 계산했을 때 1~2년 가량 더 사용할 수 있다는 의미다. 리튬인산철의 전자전도도가 증가하면서 고속 충전도 가능하다는 장점도 있다.

최 교수는 “리튬인산철 양극을 보호하는 전해질 첨가제 기술로 전자 전달이 가능한 양극의 보호층을 만들어 낮은 충전전압조건을 갖게 하는 것이 핵심”이라며 “상온부터 고온까지 온도 내구성이 뛰어난 전극 보호층을 만드는 첨가제 기술로 전기차 배터리에 활용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’에 지난 9일 소개됐다.

참고 자료

Advanced Functional Materials(2024), DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202403261

- Copyright ⓒ 조선비즈 & Chosun.com -