국내 연구진이 휴대용 전자기기 및 전기차 등의 리튬 이차전지 에너지 밀도를 높이고 고전압 구동 때도 안정성을 높여줄 용매를 개발했다.
한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 최남순 교수팀이 울산과학기술원(UNIST) 화학과 홍성유·서울대 화학생물공학부 이규태·고려대 화공생명공학과 곽상규·경상국립대 나노·신소재공학부 이태경 교수 연구팀과 함께 4.4V의 높은 충전 전압에서 리튬 금속 전지의 효율과 에너지를 유지하는 세계 최고 수준의 전해액 조성 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.
연구팀은 구동할 수 있는 상한 전압 한계가 있는 용매들과 달리 높은 충전 전압에서 안정적으로 사용할 수 있는 새로운 용매를 합성하는 데 성공, 이를 첨가제 기술과 접목해 현저하게 향상된 가역 효율(상온 200회 99.9%)을 달성했다.
가역 효율은 사이클마다 전지의 방전용량을 충전용량으로 나눠 백분율로 나타낸 값으로, 가역 효율이 높을수록 사이클마다 배터리 용량 손실이 적은 것을 의미한다. 또 이 기술은 리튬 대비 4.4V 높은 충전 전압 조건에서 다른 전해액보다 약 5% 정도 높은 75.0%의 높은 방전용량 유지율을 보였다.
연구팀이 이번에 세계 최초로 합성 및 보고한 환형 설폰아마이드 계열 용매인 TFSPP는 기존에 사용되는 용매보다 우수한 고전압 안정성을 가져 전지 내부 가스 발생을 억제했다.
연구팀은 두 가지 이온성 첨가제를 도입, 리튬 금속 음극에 형성된 보호층이 부피 변화를 견디도록 설계했다. 이에 더해 전자 방출 경향성이 높은 첨가제를 적용해 양극 표면에 보호층을 형성, 양극의 구조 안정성을 향상했다.
최남순 교수는 "새로운 구조로 디자인된 TFSPP 용매는 기존 용매보다 열적 및 고전압 안정성이 매우 우수하고 전지 구동 중 전해액 분해를 최소화해 전지 내압 상승 요인인 가스 발생을 억제했다"며 "고전압 리튬 금속 전지 실용화를 위한 전해액 설계에 새로운 이정표를 제시했다"고 의미를 부여했다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈' 온라인에 최근 실렸다.
헬로티 이창현 기자 |
