중국 난징대학교(南京大学) 저우하오선(周豪慎) 교수팀이 에너지 밀도 450Wh/kg에서 750회 이상의 순환 수명을 구현하는 리튬 금속 배터리용 신형 전해액을 개발했다.
난징대학교는 7월 8일 저우 교수팀이 개발한 전해액 기술이 차세대 에너지 저장 기술의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다고 밝혔다. 관련 연구 결과는 같은 날 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’에 온라인으로 게재됐다.
리튬 금속 배터리는 높은 에너지 밀도로 인해 차세대 전기차와 소비자 가전제품에 적합한 전원으로 평가된다. 그러나 기존 전해액은 배터리 음극과의 호환성이 낮아 배터리 수명을 떨어뜨리고, 전극에 나뭇가지 모양의 리튬 덴드라이트(dendrite)를 형성해 단락이나 화재를 일으킬 수 있다는 문제가 있었다.
최근 산업계에서는 ‘국부 고농도 전해액’을 활용하는 방식이 대안으로 제시됐지만, 충전 과정에서 전해액 성분이 전극 표면에서 비가역적으로 분해되는 한계가 있었다. 전해액이 지속적으로 소모되면서 배터리 성능이 저하되는 문제다.
논문의 제1 저자인 양우제(杨伍桀) 박사과정생은 연구팀이 이 문제를 해결하기 위해 ‘표적 배위 반용매’를 도입했다고 설명했다.
표적 배위 반용매는 충전 시 전기장 작용을 통해 양극에서 방출된 리튬 이온을 능동적으로 받아들여 기존 용매화 구조가 해체되는 것을 막는다. 전극 표면 인근에서만 작용하기 때문에 전해액의 정상적인 작동에는 영향을 주지 않는다.
연구팀은 해당 반용매를 이용해 신형 전해액을 제조하고 리튬 금속 파우치셀에 적용했다. 실험 결과 에너지 밀도 450Wh/kg에서 750회 이상의 순환 수명을 기록했다.
에너지 밀도를 605Wh/kg까지 높인 조건에서도 150회의 안정적인 순환이 가능했다. 현재 순수 전기 승용차 배터리의 에너지 밀도는 약 200Wh/kg 수준이다.
저우 교수는 “과거 전해액 연구는 주로 정적인 용매화 구조에 집중했지만, 우리는 전극 계면의 동적 용매화 거동으로 초점을 옮겼다”며 “이번 연구는 다른 알칼리 금속 배터리용 전해액 설계에도 새로운 아이디어를 제공한다”고 말했다.
헬로티 이동재 기자 |
