최남순 KAIST 생명화학공학과 교수.[KAIST 제공]

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[헤럴드경제=구본혁 기자] 전기차 보급이 확대되면서 1회 충전에 긴 주행거리를 가능하게 하거나 넓은 온도 범위에서 충전과 방전을 할 수 있는 고용량, 고에너지밀도 이차전지 개발의 필요성이 커지고 있다.

카이스트(KAIST)는 생명화학공학과 최남순(사진) 교수 연구팀이 넓은 온도 범위에서 리튬금속 전지의 높은 효율과 에너지를 유지하는 세계 최고 수준의 전해액 기술을 개발했다고 4일 밝혔다. 개발된 전해액은 기존에 보고되지 않은 새로운 솔베이션 구조를 형성했으며 안정적인 전극-전해질 계면 반응을 확보할 수 있는 첨가제 기술을 통해 리튬금속 전지의 수명 특성을 획기적으로 향상시켰다.

일반적으로 염(이온성 화합물) 농도가 낮은 전해액에서는 양이온이 전하를 띠지 않은 용매에 의해 둘러싸여 동심원의 껍질(Shell)을 형성하는데 이를 솔베이션 구조라고 한다. 이러한 솔베이션 구조 개선 기술은 염 농도를 증가시키지 않고 배터리의 작동 온도 범위를 넓히는 매우 중요한 인자로 여겨진다.

최남순 교수 연구팀은 기존 보고된 전해액 내 리튬 이온의 이동이 제한적이고 구동할 수 있는 온도 범위의 한계가 있는 전해액들과는 달리 넓은 온도 범위(영하 20~ 영상 60℃)에서 안정적으로 작용할 수 있는 용매 조성 기술과 전극계면 보호기술을 적용했다.

또한 완전 충전-완전 방전조건에서 첫 사이클 방전 기준 용량 80%가 나오는 횟수까지를 배터리 수명으로 보고 있는데 개발된 전해액 기술은 상온(25℃)에서 200회 충방전 후에 첫 번째 사이클의 방전용량 대비 85.4%의 높은 방전용량 유지율을 보였다. 또한 고온(45℃)에서 100회 충방전 후 91.5% 발현, 저온(영하 20℃) 구동에서도 300회 충방전 후 72.1% 발현하는 등 완전 충전-완전 방전조건에서 기존 상용 기술 대비 약 20% 높은 용량 유지율을 구현했다.

전해액의 솔베이션 구조 모식도. 저농도 전해액(왼쪽)과 부분적 약한 용매화 전해액(오른쪽, 신규 솔베이션 구조).[KAIST 제공]

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이번 연구에서 개발된 새로운 솔베이션 구조를 가지는 전해액 기술은 리튬 코발트 산화물 양극을 사용해 영하 20℃에서 60℃의 넓은 온도 범위에서 극대화된 성능을 얻었다는 점에서 그 의미가 크다. 여기에 더해 80℃ 고온 저장에서도 저장 성능이 유지됨도 확인했다. 특히 리튬금속 전지용 전해액 기준 프레임을 제시한바, 이는 리튬이차전지 전해액 시장에서 게임 체인저가 될 것이라고 연구진은 설명했다.

최남순 교수는 “솔베이션 구조 개선 기술과 전해액 첨가제에 의한 안정적인 전극-전해질 계면 형성의 시너지 효과는 고에너지 밀도 리튬금속 전지에서의 난제들을 효과적으로 해결하고 전해액 설계에 있어서 새로운 방향을 제시했다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘에너지 & 인바이론멘탈 사이언스’ 9월 13일 온라인 공개됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com

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