리튬 이차전지 에너지 밀도를 높이고 고전압 구동시 안정성을 높일 용매가 개발됐다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 최남순 생명화학공학과 교수팀이 홍성유 울산과학기술원(UNIST) 화학과 교수팀, 이규태 서울대 화학생물공학부 교수팀, 곽상규 고려대 화공생명공학과 교수팀, 이태경 경상국립대 나노·신소재공학부 교수와 4.4V 고충전 전압에서 리튬 금속전지 효율·에너지를 유지하는 세계 최고 수준 전해액 조성 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.
리튬 금속전지를 오래 사용하려면 전해액 이온 전달 성능뿐 아니라 전극 표면 보호도 필수다. 전자를 주는 성질이 강한 리튬금속 음극, 전자를 빼앗으려는 고전압 양극에 접촉하는 전해액이 분해되지 않도록 전극·전해액 사이 보호층을 형성해야 한다.
연구팀은 새롭게 디자인하고 합성한 전해액 주 용매를 사용하고, 전극-전해액 계면을 안정화하는 첨가제 기술을 조합해 리튬 금속전지 고전압 수명 성능 및 고속 충전 특성을 높였다.
사이클마다 전지 방전용량을 충전용량으로 나눠 백분율로 나타낸 가역 효율은 상온 200회 99.9%였다.
개발 전해액 기술은 리튬 대비 4.4V 높은 충전 전압 조건에서 다른 전해액보다 약 5% 정도 높은 75% 방전용량 유지율을 보였다.
연구팀이 세계 최초로 합성·보고한 환형 설폰아마이드 계열 용매 'TFSPP'는 기존 용매보다 고전압 안전성이 우수해 전지 내부 가스 발생을 억제할 수 있다.
연구팀은 또 두 가지 이온성 첨가제를 도입해 리튬 금속 음극에 형성된 보호층이 부피 변화를 견디도록 설계했다.
전자 방출 경향성이 높은 첨가제를 적용해 양극 표면에 보호층을 형성, 양극 구조 안정성을 향상시켰다.
논문 공동 제1 저자인 김세훈 KAIST 생명화학공학과 박사과정은 “용매와 첨가제 조합 기술로 실용화가 가능한 리튬 금속전지용 용매 조성 프레임을 개발했으며, 전지 사용기간을 연장하는 보다 안정적인 전극-전해액 계면층을 형성하는 새로운 전해액 조성 기술을 개발했다”고 말했다.
최남순 교수는 “새로운 구조의 TFSPP 용매는 기존 용매보다 열적·고전압 안정성이 매우 우수하고 전지 구동 중 전해액 분해를 최소화해 전지 내압 상승요인인 가스 발생을 억제한다”며 “TFSPP를 주 용매로 사용해 전지 고온 안정성을 개선했으며 고유기술인 다중층 전극-전해액 보호층 형성을 통해 안정화함으로써 고전압 리튬 금속전지 실용화를 위한 전해액 설계에 있어서 새로운 이정표를 제시했다”고 밝혔다.
이번 연구는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 3월 6일자 온라인 공개됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
