[SDG13기후위기대응] 우리나라가 세계 최고 수준의 '리튬 금속배터리 용매'개발에 성공, "미래 전해액 소재 시장서 원천기술을 확보했다“는 평가가 나온다.
기후위기로 인해 전기차와 에너지저장장치에 대한 관심이 높아지면서 고용량을 낼 수 있는 전지 소재에 대한 수요 또한 급증세를 보이는 상황에서 얻은귀한 결실이다.
최근 고용량, 고에너지밀도의 이차전지 개발의 중요도가 커지고 있다. 음극재로는 종래의 리튬이온전지의 음극 소재인 흑연 대비 약 10배의 용량의 발현할 수 있다. 낮은 작동 전압과 밀도를 가지는 리튬금속이 주목받는다.
양극재로는 고전압에서 높은 용량을 발현할 수 있는 니켈리치 소재가 주목받는 가운데 국내 연구진이 휴대용 전자기기 및 전기차 등의 리튬 이차전지 에너지 밀도를 높이고 고전압 구동 때도 안정성을 높여줄 용매를 개발했다.
KAIST는 생명화학공학과 최남순 교수팀이 울산과학기술원(UNIST) 화학과 홍성유·서울대 화학생물공학부 이규태·고려대 화공생명공학과 곽상규·경상국립대 나노·신소재공학부 이태경 교수 연구팀과 공동연구를 통해 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 합성해 전극-전해액 계면을 안정화하는 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. 이 설폰아마이드 용매는 불에 잘 타는 일반 유기용매와는 달리 불에 타는 성질이 낮은 리튬염의 음이온 구조가 포함돼 발화가능성을 낮출 것으로 기대된다고 연구팀은 설명했다.
연구팀은 또 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 향상시켰다.
이 새로운 구조의 용매는 전극을 보호하는 첨가제와 함께 시너지 효과를 이끌어내 고전압 리튬 금속전지 성능을 극대화했다는 점에서 의미가 크다는 평가를 받는다.
최남순 KAIST 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 연구 의미를 부여했다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 3월 6일 온라인에 실렸다. 논문명 : Electrolyte Design for High-Voltage Lithium-Metal Batteries with Synthetic Sulfonamide-Based Solvent and Electrochemically Active Additives)'
SDG뉴스 노영조 기자