카이스트, 高효율·高수명 이차전지 기술 개발

▲최남순 KAIST 생명화학공학과 교수. 사진=KAIST

[에너지경제신문 김철훈 기자] 전기차 운행의 필수 배터리인 이차전지의 성능과 수명을 획기적으로 향상시키는 새로운 전해액 제조기술을 국내 카이스트(KAIST) 연구진이 개발했다.

카이스트는 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 넓은 온도 범위에서 차세대 배터리로 불리는 리튬 금속 이차전지의 효율과 에너지를 유지할 수 있는 새로운 구조의 전해액 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

최 교수팀의 신기술은 기존에 없던 새로운 ‘솔베이션 구조’(전하를 띠지 않은 용매가 양이온을 껍질처럼 둘러싸는 구조)를 개발해 전해액의 염 농도를 증가시키지 않고도 리튬이온을 잘 이동하게 하고 전극 표면에서 원하지 않는 부반응을 감소시켜 배터리의 안정적인 작동 온도 범위를 영하 20도∼영상 60도로 크게 넓혔다는 점에서 혁신성을 인정받았다.

여기에 새로운 전해액 첨가제를 더해 안정적인 전극-전해질 계면 형성의 시너지 효과를 내는 동시에 배터리 수명도 늘리는데 성공했다고 카이스트는 설명했다.

학계와 산업계는 이차전지 배터리의 수명을 완전 충전·완전 방전 조건에서 첫 방전 용량의 80%가 나오는 충·방전 횟수로 규정하고 있다.

이번에 카이스트 연구팀이 개발한 전해액 기술은 상온인 영상 25도에서 200회 충·방전 후 85.4%의 높은 방전용량 유지율을 보였고, 영상 45도의 고온에서는 100회 충·방전 후 91.5%, 영하 20도의 저온에서 300회 충·방전 후 72.1%의 방전용량 유지율을 나타내 기존 기술과 비교해 약 20% 높은 용량 유지율을 보여줬다.

▲기존 리튬 배터리 전해액과 새로 개발한 리튬 배터리 전해액의 충전·방전 사이클에 따른 광학현미경 분석 사진. 새로 개발한 전해액(맨 아래)의 경우, 가운데 전해질 부분에 부반응 물질인 ‘수지상 리튬’이 형성되지 않았다. 사진=KAIST

이번 신기술은 현재 전기차 등에 널리 사용되고 있는 ‘리튬 이온 배터리’(음극재로 비금속인 흑연 등을 사용하는 이차전지)를 대체해 성능과 수명이 향상된 차세대 배터리로 불리는 ‘리튬 금속 배터리’(음극재로 금속인 리튬을 사용하는 이차전지)에 사용될 수 있는 기술이라는 점을 카이스트를 강조했다.

현재 상용화되지 않은 리튬 금속 배터리는 △액체 전해액을 사용하는 배터리 △고체 전해질을 사용하는 배터리(전고체 배터리) 등 2가지 유형으로 개발 중인 것으로 알려졌다. 삼성SDI, LG에너지솔루션, 도요타 등 국내외 주요 배터리 업체들은 액체 전해액보다 안전성이 높다고 평가되는 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리 개발에 나서 오는 2027년 상용화를 목표로 하고 있다.

카이스트 최남순 교수팀이 개발한 신기술은 액체 전해액을 사용하는 리튬 금속 배터리에 적용되는 기술로, 전고체 배터리보다 취약하다고 평가되는 안전성 문제를 해결한다면 전고체 배터리 못지않게 가까운 시일 내에 상용화를 기대할 수 있을 것으로 전망된다.

최 교수는 "현재 안전성 이슈 때문에 주요 업체들이 전고체 배터리를 앞세우고 있지만, 기술 수준을 보면 전고체 리튬 금속 배터리보다 액체 전해액 기반의 리튬 금속 배터리의 기술이 조금 더 앞서 있다"며 상용화에 대한 기대감을 내비쳤다.

이어 최 교수는 "이번 연구는 리튬 금속 배터리의 전해액에 대한 새로운 기준 프레임을 제시한 연구"라며 "리튬 배터리 전해액 시장에서 게임 체인저가 될 것"이라고 강조했다. 최 교수팀 연구 결과는 국제 학술지 ‘에너지 & 인바이론멘탈 사이언스’ 지난 9월 13일자에 게재됐다.

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