차세대 이차전지 반복 충전해도 수명 유지…전기차 배터리 첨가제 나왔다

KAIST, 고려대, UNIST, 현대차, 한국화학연구원 공동 연구진

KAIST, 고려대, UNIST, 현대차, 한국화학연구원 등 국내 공동 연구진이 개발한 전해질 첨가제의 작동 원리. 리튬리치 양극, 실리콘 음극의 표면에 얇은 막을 만들어 구조 안정성을 높일 수 있다. /KAIST

국내 연구진이 차세대 이차전지의 성능을 높일 수 있는 전해질 첨가제를 개발했다. 차세대 이차전지 소재로 쓰이는 물질의 구조 안정성 문제를 해결해 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대를 모은다.

최남순 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수가 이끄는 연구진은 고려대, 울산과학기술원(UNIST) 현대차, 한국화학연구원과 공동 연구를 통해 차세대 이차전지에 쓰이는 양극과 음극에 얇은 막을 만들어 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 전해질 첨가제를 개발했다고 19일 밝혔다.

전기차의 성능을 결정하는 최대 주행거리를 늘리기 위해서는 배터리의 용량을 키워야 한다. 전기차에 쓰이는 이차전지의 에너지용량과 효율은 양극과 음극의 소재에 따라 결정되는데, 현재 사용되는 리튬과 흑연보다 효율이 좋은 소재를 사용하기 위한 연구가 한창 이뤄지고 있다.

최근에는 양극으로 리튬의 함량을 높인 리튬리치 소재와 음극으로 흑연 소재을 사용하는 방식이 주목받고 있다. 그러나 리튬리치 양극은 구조가 불안정하고, 실리콘 음극은 충·방전을 반복하면 부피가 변하는 문제를 해결하지 못해 상용화에는 이르지 못하고 있다. 이를 해결하기 위해서는 새로운 소재에 적합한 전해질 개발이 필요한 상황이다.

연구진은 기존 연구에서 리켈리치 양극과 실리콘 음극의 안정성을 높일 수 있다고 보고된 여러 작용기를 조합해 새로운 물질인 4-아릴옥시페닐 플로로설페이트(APFS)를 합성해 전해질 첨가제로 만들었다. 전해질 첨가제는 음극과 양극의 표면에 얇은 막을 만들어 이차배터리의 성능을 높일 수 있는 기술이다.

이번에 개발된 전해질 첨가제를 기존 첨가제와 섞어 사용했을 때 니켈리치 양극·실리콘 음극 이차전지를 300번 충·방전해도 초기 용량의 72.5%를 유지하는 것으로 나타났다. 이 수치는 기존에 개발된 전해질 첨가제인 비닐렌 카보네이트(VC)와 플루오르에틸렌 카보네이트(FEC)를 사용했을 때보다 각각 54%, 38% 향상된 성능이다. 또 음극에 이온 전달이 가능한 막이 만들어져 고속 충전도 가능해졌다.

연구진은 이번에 개발한 전해질 첨가제를 활용하면 차세대 이차전지의 개발 비용을 낮추면서 효율을 높일 수 있을 것으로 내다봤다.

논문의 공동 제1저자인 문현규 KAIST 생명화학공학과 박사과정 연구원은 “개발된 전해질 첨가제는 내열성과 유연성이 우수한 전극 계면 층을 만들 수 있다”며 “실리콘 음극 부피변화에 따른 전지 열화를 억제하여 희박 전해질 조건에서도 효과가 있다ˮ 라고 말했다.

최남순 교수는 “이번 성과는 기존 상용 첨가제들의 한계를 극복할 수 있는 전해질 첨가제 기술로, 양극 및 음극 특성에 적합한 첨가제를 정확하게 개발해 내는 새로운 방향을 제시했다”며 “저온에서부터 고온에 이르기까지 온도 내구성이 뛰어난 전극 계면 층을 형성하는 세계 최고 수준의 전해질 첨가제 기술로서 전기차 배터리 등에 활용이 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’에 이달 4일 소개됐다.

참고자료

Advanced Functional Materials, DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202303029

최남순 KAIST 생명화학공학과 교수. /KAIST

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