반복 충방전에도 전기차 배터리 수명 늘린다

KAIST, 리튬이온 배터리 첨가제 개발
300회 충방전 후 72% 초기용량 수준 유지

최남순 KAIST 생명화학공학과 교수

배터리 충방전 횟수 증가에 따른 급격한 용량 감소 문제를 해결할 수 있는 새로운 전기차 배터리 첨가제가 개발됐다.

KAIST는 최남순 생명화학공학과 교수 연구팀이 곽상규 고려대 교수팀, 홍성유 울산과학기술원(UNIST) 교수팀, 현대자동차, 화학연 등은 공동으로 리튬이온 이차전지의 상온·고온에서 수명을 늘릴 수 있는 전해질 첨가제를 개발했다고 19일 밝혔다.

1회 충전으로 장거리 운행이 가능한 전기차를 개발하려면 고용량, 고에너지 밀도의 이차전지 개발이 필수적이다. 이를 위해 흑연보다 10배 가량 높은 용량을 지닌 실리콘 음극물질이 차세대 리튬이온전지 소재로 주목받고 있다.

하지만, 반복적인 충방전으로 인해 실리콘 음극은 리튬이온과 합금반응을 통해 부피 변화가 최대 400% 팽창과 축소를 반복한다. 이 과정에서 고체전해질 계면막에 균일이 생기고, 전해액 분해 반응이 지속적으로 발생해 전해액 고갈과 용량 감소를 가져온다.

연구팀은 양극과 음극에 적합한 작용기를 분자공학적 기법으로 전해질 첨가제를 디자인해 전기화학적 반응을 통해 실리콘 음극과 양극 표면에 고체전해질 계면막을 형성함으로써 전지의 상온·고온 수명을 끌어 올리는 데 성공했다. 이 전해질 첨가제는 전기차 구동온도 45도에서 300회 반복 충방전 후에 초기 용량의 72.5%를 유지했다. 이는 기존에 사용하는 첨가제에 비해 최소 38%에서 최대 54%까지 향상된 수준이라고 연구팀은 설명했다.

아울러, 실리콘 음극 부피 변화에 따른 전지 열화를 억제해 안정성 성능을 유지한다.

최남순 KAIST 교수는 "기존 상용 첨가제의 한계를 극복할 수 있는 전해질 첨가제 기술로, 전기차 배터리 등에 활용할 수 있다"고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(지난 4일)' 온라인에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr