KETI-강원대-RIST, 리튬 첨가제로 소듐이온전지 수명 20% 향상 기술 개발

소량의 리튬염(LiPF₆)을 첨가해 소듐이온전지(SIB)의 수명을 약 20% 이상 향상할 수 있는 메커니즘이 밝혀졌다.

포항산업과학연구원(RIST)은 장준하 박사가 김현승 한국전자기술연구원 박사, 김영진 강원대 교수 연구팀과 공동으로 리튬 첨가제로 소듐이온전지 수명을 늘리는 메커니즘을 규명했다고 16일 밝혓다.

리튬에 대한 의존도를 낮추고 가격경쟁력을 확보하기 위한 대안으로, 저비용·고안정성의 SIB가 주목받고 있다. 최근 중국에서는 전기이륜차 및 에너지 저장장치 분야를 중심으로 실증 사례가 늘고 있으며 국내에서도 관련 기술 개발이 한창이다.

리튬염 첨가를 통한 소듐이온전지 계면 안정화 메커니즘 및 수명 향상 효과 관련 이미지

다만, SIB의 전해질 분해에 따른 계면 손상과 이로 인한 배터리 수명 저하는 여전히 해결이 필요한 과제로 남아 있다. 이에 공동연구팀은 전해질에 리튬염을 0.2M(몰 농도) 첨가해 리튬 기반 솔베이션 클러스터가 형성되도록 유도했다.

이 클러스터는 음극 표면에서 탄산리튬(Li2CO3) 기반의 안정적인 보호막(SEI)을 생성해 전해질이 쉽게 분해되지 않도록 막는다. 기존 소듐 기반 SEI보다 용해도가 낮아 계면 안정성을 높일 수 있다.

양극에는 리튬의 도핑으로 리튬 필라가 형성되는데, 이 구조는 산소 방출과 전해질 산화를 효과적으로 억제한다. 공동연구팀은 고분해능 투과전자현미경(HR-TEM) 분석 및 X선 광전자 분광법(XPS), 비행시간형 이차이온질량분석법(TOF-SIMS) 등 다양한 정밀 분석을 통해 양극 표면에 LiF 보호막과 Li 지지 구조가 실제로 생성되었음을 확인했다.

이러한 양·음극의 계면 안정화 덕분에, 모노셀 형태의 SIB pouch cell은 400 사이클후 에도 92.7%의 용량을 유지했다. 기존 FEC 첨가제 전해질 대비 약 20% 향상된 수명을 달성했다.

한편, 연구결과는 최근 나노소재 분야의 국제 권위지인 '나노 마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)' 온라인판에 실렸다.

포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com