영하 20도·영상 45도에서도 성능유지···전기차 전해액 개발

KAIST, 리튬금속 전지용 전해액 기술 개발

새로운 솔베이션 구조 구현하는 전해액 플랫폼 제시

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진에 넓은 온도 범위(영하 20도~영상 60도)에서도 전기차 배터리를 보다 효율적으로 충·방전할 가능성을 제시했다.

최남순 KAIST 생명화학공학과 교수.(사진=KAIST)

한국과학기술원(KAIST)은 최남순 생명화학공학과 교수 연구팀이 넓은 온도 범위에서 리튬금속 전지 효율과 에너지를 유지하는 전해액 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

전해액은 새로운 솔베이션 구조(염 농도를 증가시키지 않고, 배터리의 작동 온도 범위를 넓히는 중요한 인자)를 형성했다. 안정적인 전극·전해질 계면 반응을 보이는 첨가제 기술로 리튬금속 전지 수명도 늘렸다.

연구팀은 우선 전해액 내 리튬 이온의 이동이 제한적이고 구동할 수 있는 온도 범위의 한계가 있는 기존 전해액들과 달리 넓은 온도 범위에서 안정적으로 작용하는 용매 조성 기술과 전극계면 보호기술을 적용했다. 그 결과, 가역효율(영하 20도 300회 99.9%, 상온 200회 99.9%, 45도 100회 99.8%)이 기존 연구 결과 보다 높게 나타났다. 가역 효율은 사이클마다 전지의 방전용량을 충전용량으로 나눠 백분율로 나타낸 값이다. 가역 효율이 높을수록 사이클마다 배터리 용량 손실이 적다는 것을 뜻한다.

배터리 수명도 높게 나타났다. 학계에서는 완전 충전-완전 방전 조건에서 첫 사이클 방전 기준 용량 80%가 나오는 횟수까지를 배터리 수명으로 본다. 이번 기술을 적용한 결과, 상온(25도)에서 200회 충·방전 후에 첫 사이클 방전용량 대비 85.4%의 방전용량 유지율을 기록했다.

고온(45도)에서 100회 충·방전 후 91.5% 발현, 저온(영하 20도) 구동에서도 300회 충·방전 후 72.1% 발현했다.

최남순 교수는 “두 개의 용매를 사용해 리튬이온이 잘 이동하게 하고 전극 표면에서도 원하지 않는 부반응을 줄이는 새로운 솔베이션 구조를 형성해 리튬금속 전지 구동 온도 범위를 넓혔다”며 “이러한 솔베이션 구조 개선 기술과 전해액 첨가제에 의한 안정적인 전극·전해질 계면 형성의 시너지 효과로 리튬금속 전지의 난제들을 해결하고, 전해액 설계의 새로운 방향을 제시했다”고 했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘에너지·인바이론멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 지난 달 13일자로 온라인 공개됐다.

전해액의 솔베이션 구조 변화(윗부분)과 전해액 조성 작동 원리 모식도(아랫부분).(자료=KAIST)