전기차 수명·성능 획기적으로 높인다…마법의 배터리 첨가제 개발

- KAIST·화학硏·고려대 공동연구 성과

전기자동차.[게티이미지뱅크]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 기존보다 약 50% 이상 성능을 높일 수 있는 전기자동차 첨가제 기술 개발에 성공했다.

카이스트(KAIST)는 생명화학공학과 최남순(사진) 교수 연구팀이 고려대, 울산과학기술원(UNIST), 현대자동차, 한국화학연구원과 공동연구를 통해, 리튬이차전지의 장수명화를 가능하게 하는 전해질 첨가제 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

개발한 전해질 첨가제는 실리콘 기반 음극과 니켈 리치 양극의 저온, 상온 및 고온에서의 가역성을 증대시켜 배터리 충방전 횟수 증가에 따른 급격한 용량 감소 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술이다.

연구팀은 전해질 첨가제 설계 초기 단계부터 타겟으로 하는 양극과 음극에 적합한 작용기를 분자공학적 기법으로 조합해 첨가제를 디자인하고 합성했다. 디자인된 전해질 첨가제는 전자 수용 및 전자 공여 그룹의 전기화학적 반응에 의해 고용량 실리콘 기반 음극 및 니켈 리치 양극 표면에 고체전해질 계면막을 형성해 전지의 상온 및 고온 수명을 획기적으로 끌어올리는 데 성공했다.

개발된 전해질 첨가제는 내열성과 유연성이 우수한 전극 계면 층을 형성, 전기차 구동 온도 45도에서 실리콘 기반 음극과 니켈 리치 양극으로 구성된 전지의 반복적인 300회 충방전 후에도 초기 용량의 72.5% 발현이 가능했다. 이는 기존 사용되고 있는 첨가제 비닐렌 카보네이트(VC), 플루오르에틸렌 카보네이트(FEC) 대비 각각 54%, 38% 향상된 수준이다.

최남순 KAIST 생명화학공학과 교수.[KAIST 제공]

최남순 교수는 “이번 성과는 기존 상용 첨가제들의 한계를 극복할 수 있는 전해질 첨가제 기술로, 물질 구조 디자인, 합성 및 계산화학을 통해 연구시간 및 비용을 줄이고 타겟 양극 및 음극 특성에 적합한 첨가제를 정확하게 개발해 내는 새로운 방향을 제시했다”고 말했다.

이어 “양산 수준의 전극 로딩 조건에서 저온에서부터 고온에 이르기까지 온도 내구성이 뛰어난 전극 계면 층을 형성하는 세계 최고 수준의 전해질 첨가제 기술로서 전기차 배터리 등에 활용이 기대된다”고 덧붙였다.

이번 연구에서 KAIST 최남순 교수와 문현규, 남희범(現 현대자동차 연구원) 연구원은 전해질 시스템 개발과 실험적 원리 규명을 담당했다. UNIST 홍성유 교수와 김민평, 전민호(現 한국화학연구원 연구원) 연구원은 디자인된 첨가제를 쉽게 얻는 합성법을 개발했다. 고려대학교 곽상규 교수와 이승민, 김형준 연구원은 계산화학 시뮬레이션을 통해 음극 및 양극에서의 전해질 첨가제의 계면 층 형성 과정을 이론적으로 규명했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’ 4월 4일 온라인 공개됐다

nbgkoo@heraldcorp.com