'전기차 배터리 충전 15분 만에' KAIST, 혁신 전해질 기술 개발

고속 충전 리튬이온배터리 용매 기작 모식도

전기차(EV) 시장 성장으로 리튬이온 배터리 충전 시간 단축 기술이 중요 과제로 떠오르는 가운데, 한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 혁신적인 전해질 기술을 개발해 충전 시간을 15분으로 단축시켰다.

KAIST는 최남순 생명화학공학과 교수팀이 홍승범 신소재공학과 교수팀과 새로운 전해질 용매 '아이소부티로니트릴(isoBN)'을 개발, 배터리내 리튬 이온 이동을 극대화시키는 전략으로 이같은 성과를 거뒀다고 17일 밝혔다.

연구팀은 전해질 내 용매화 구조를 조절하는 전략을 개발했다. 이는 배터리 핵심 요소인 음극 계면층(SEI) 형성을 최적화해 리튬이온 이동을 원활하게 하고, 고속 충전 시 발생하는 배터리 수명 단축 등 문제를 해결하는 방식으로 리튬이온전지 충전 속도를 향상시킬 수 있다.

기존 리튬이온전지 전해질에 사용되는 에틸렌 카보네이트(EC) 전해액은 점성이 높고, 강한 용매화 특성, 큰 결정립으로 구성된 음극 계면층을 만드는 등 특성탓에 고속 충전 시 리튬이온이 원활하게 이동하거나 흑연 음극 층상 구조로 들어가지 못한다.

또 음극 계면층 위 또는 음극판 상단부에 금속 리튬이 전착한다. 배터리 수명 단축과 단락에 의한 화재 발생 위험이 높다.

연구팀은 이에 EC를 완전히 대체할 수 있는 isoBN을 배터리 전해질에 도입, 리튬이온 탈용매화 에너지를 감소시키고 음극 계면층 결정립 크기를 감소시켰다.

isoBN 용매 도입으로 EC 전해질 대비 55% 낮은 점성, 54% 높은 이온전도도(12.80 S/㎝)를 가지는 고이온 전달성 전해질 시스템을 개발했다.

isoBN 전해질은 리튬이온 탈용매화 에너지를 크게 감소시켜 15분 고속 충전 300회 사이클에서도 리튬전착 없이 94.2% 용량 유지율을 나타냈다.

최남순 교수는 “리튬이온전지 충전 시간을 획기적으로 줄이는 음극 계면층 기술과 전해질 시스템을 제시했다”며 “충전 시간 단축에 따른 전기차 대중화를 앞당기는 데 큰 진전을 이루며 향후 에너지 저장 시스템(ESS), 드론, 우주 항공 산업 등 분야에서 리튬이온전지 고속 충전 기술이 실용화될 것으로 기대된다”고 전했다.

KAIST 생명화학공학과의 최남순 교수, 송채은·한승희 연구원과 신소재공학과의 홍승범 교수, 최영우 연구원이 공동 제 1저자로 진행한 이번 연구는 '어드밴스드 머티리얼즈'에 3월 11일 게재됐다.

한편 이번 연구는 한국산업기술기획평가원 전기차 고출력 배터리 및 충전시스템 기술 개발사업과 한국연구재단 나노·소재기술개발사업 지원을 받아 수행됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com