KAIST '1회 충전에 800㎞ 주행' 무음극 배터리 퇴화원인 규명

무음극 배터리와 리튬금속배터리의 작동 메커니즘 등.(KAIST 제공)/뉴스1

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 무음극 배터리의 퇴화원인을 규명, 배터리 성능을 높일 방안을 제시해 주목된다.

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 전극계면에서 일어나는 반응의 비가역성과 계면피막 구조의 변화를 체계적으로 분석해 무음극 배터리의 퇴화원인을 규명했다고 5일 밝혔다.

전기차에 사용되는 무음극 배터리는 1회 충전에 800㎞ 주행, 1000회 이상 배터리 재충전이 가능할 것을 전망하는 꿈의 기술로 알려져 있다. 일반적으로 배터리는 양극과 음극으로 구성되는데, 무음극 배터리는 음극이 없어 부피가 감소해 높은 에너지 밀도를 갖지만 리튬금속 배터리에 비해 성능이 현저하게 낮다는 문제점이 있다.

연구팀은 무음극 배터리의 첫 충전 과정에서 구리 집전체 표면과 전착된 리튬 표면에서 바람직하지 않은 전해질 분해반응이 일어나 계면피막 성분이 불안정하게 변한다는 것을 밝혀냈다.

배터리 제조 직후에는 용매가 구리 집전체 표면에 흡착해 초기 계면피막을 형성하고, 충전 시 양극으로부터 구리 집전체로 이동된 리튬이온이 구리 집전체 표면에서 전자를 받아 리튬금속으로 전착하면 전착된 리튬금속 표면에서 전해질 음이온이 분해하여 리튬금속표면에 계면피막을 형성함을 규명한 것이다.

왼쪽부터 시계방향 KAIST 생명화학공학과 이정아 박사과정, 김세훈 박사과정, 최남순 교수, 강하늘 석사과정이 기념촬영을 하고 있다.(KAIST 제공)/뉴스1

최남순 교수는 “이번 연구는 무음극 배터리의 성능 감소는 집전체에 전착되는 리튬금속표면에서 전해질이 바람직하지 않은 분해반응을 하고 형성된 계면피막의 성분이 안정적으로 유지되지 못하기 때문에 일어나는 것임을 확인했다”며 “이 성과는 향후 무음극 기술에 기반한 고에너지 차세대 배터리 시스템 개발에 중요한 실마리를 제공할 것”이라고 말했다.

현대차가 지원한 이번 연구에는 KAIST 생명화학공학과 최남순 교수, 이정아·강하늘·김세훈 연구원이 공동 1 저자로 참여했다.

연구 성과는 국제 학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈' 온라인에 지난 10월6일 게재됐고, 우수성을 인정받아 표지 논문으로 선정됐다.

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