"성능·안전 동시에 UP" 리튬전지 날개 달았다

KAIST, 새로운 전해액 개발
고전압서도 수명·효율 유지

KAIST는 높은 전압에서 리튬 금속전지의 효율과 성능을 유지하는 전해액 조성기술을 개발했다. 사진은 저농도 전해액과 개발된 전해액을 적용한 리튬 금속전지를 광학현미경으로 관찰한 내부 모습. KAIST 제공

차세대 이차전지로 주목받고 있는 리튬 금속전지의 안정성을 높일 수 있는 새로운 전해액이 개발됐다. 높은 충전 전압에서 안정적으로 성능을 유지하는 리튬 금속전지 상용화에 활용될 것으로 기대된다.

KAIST는 최남순 생명화학공학과 교수 연구팀이 주도한 공동연구팀은 높은 충전 전압에서 리튬 금속전지의 효율과 에너지를 유지하는 전해액 조성기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

리튬 금속전지는 리튬이온전지에서 사용하는 흑연 음극재 대신 리튬금속을 사용해 저장용량이 10배 이상 높고, 에너지밀도가 뛰어나 차세대 이차전지로 각광받고 있다. 하지만 전지 단락을 유발하는 나뭇가지 모양의 결정인 덴드라이트가 음극에 생겨 고장이나 폭발로 이어질 수 있고, 전극 표면에 덴드라이트가 형성되면 리튬이온의 이동이 원활하지 못해 전지 효율과 수명 저하를 초래한다. 리튬 금속전지를 오래 쓰려면 리튬금속 음극과 고전압 양극에 접촉하고 있는 전해질이 분해되지 않도록 전극과 전해액 사이에 보호층을 형성시켜야 한다.

연구팀은 높은 충전 전압에서 안정적으로 사용할 수 있는 새로운 용매를 합성하고, 이를 첨가제와 섞어 상온에서 200회 충전해도 99.9% 효율을 유지하는 리튬 금속전지를 개발했다. 또한 4.4볼트의 높은 충전 전압 조건에서 기존 전해액에 비해 5% 높은 75%의 방전용량을 유지했다.

새로 개발한 용매는 전지 내부의 가스 발생을 억제해 발화 가능성을 낮추고, 두 가지 이온성 첨가제를 넣어도 리튬 금속음극에 형성된 보호층의 부피 변화에 영향을 주지 않아 리튬 금속전지 성능을 높일 수 있다고 연구팀은 설명했다.

최남순 KAIST 교수는 "새 용매는 기존 용매에 비해 전극과 전해액 보호층을 형성해 기존 용매에 비해 열적·고전압 안정성이 매우 우수해 리튬 금속전지 실용화를 위한 전해액으로 활용할 수 있다"고 말했다.이 연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(지난 6일자)' 온라인에 게재됐다.

이준기기자 bongchu@dt.co.kr