연구진들. 맨 위부터 시계방향으로 김세훈 박사과정, 최남순 교수, 강하늘 석사과정, 이정아 박사과정.

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한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 무음극 배터리를 고성능화시킬 방안을 제시했다.

KAIST는 최남순 생명화학공학과 교수팀이 전극 계면에서 일어나는 반응의 비가역성과 계면피막 구조의 변화를 체계적으로 분석해 무음극 배터리 퇴화 원인을 규명했다고 5일 밝혔다.

전기자동차에 사용되는 무음극 배터리는 1회 충전에 800㎞ 주행, 1000회 이상 배터리 재충전이 가능할 것을 전망하는 꿈의 기술로 알려져 있는데, 무음극 배터리는 리튬금속 배터리 대비 성능이 현저하게 낮다.

연구팀은 무음극 배터리 첫 충전 과정에서 구리 집전체 표면과 전착된 리튬 표면에서 바람직하지 않은 전해질 분해반응이 일어나 계면피막 성분이 불안정하게 변하는 것을 밝혀냈다.

배터리 제조 직후에는 용매가 구리 집전체 표면에 흡착해 초기 계면 피막을 형성하고, 충전시 양극으로부터 구리 집전체로 이동된 리튬 이온이 구리 집전체 표면에서 전자를 받아 리튬금속으로 전착되면 그 표면에서 전해질 음이온이 분해돼 계면 피막이 형성됨을 규명했다.

배터리 제조 직후 집전체 표면에서 용매가 분해돼 계면 피막을 만들고 그 후 전해질의 갈바닉(두 금속을 접촉시켜 전해질에 담그면 한쪽이 부식되는 과정) 및 화학적 부식에 의해 계면 피막성분이 불안정한 성분으로 변하고 리튬금속 전착 및 탈리 반응이 크게 감소했다.

특히, 리튬금속에 대한 높은 반응성을 가진 전해질 음이온은 충·방전 동안 계속해서 분해돼 리튬금속 계면피막을 두껍게 하고 리튬염 농도를 감소시킨다.

이로 인해 리튬이온과 상호작용하지 않는 자유 용매가 많아지게 된다. 이 자유 용매는 분해가 잘되기 때문에 분해산물이 양극 표면에 쌓여 저항이 증가하고 양극 구조 열화를 연쇄적으로 발생시켜 무음극 배터리 성능을 퇴화시키게 된다.

연구팀은 무음극 배터리의 열화를 막기 위해서는 안정한 초기 전극 계면 피막을 만들어 전해질의 갈바닉 및 화학적 부식을 감소시키는 것이 필수적이라고 밝혔다.

최남순 교수는 “이번 성과는 향후 무음극 기술에 기반한 고에너지 차세대 배터리 시스템 개발에 중요한 실마리를 제공할 것”이라고 연구 의미를 강조했다.

이번 연구는 '에너지 스토리지 머티리얼즈'에 10월 6일 자 온라인 공개됐고, 표지 논문으로 선정됐다.

한편 이번 연구는 현대자동차 지원을 받아 수행됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com

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