차세대 리튬금속 배터리 수명 연장하는 첨가제 개발

KAIST, 대칭성 이온성 액체 첨가제로 신개념 전해질 설계 방향 제시

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 강지형 교수와 박찬범 교수, 충남대학교 송우진 교수 공동연구팀이 리튬 금속 배터리의 수명을 늘이는 새로운 대칭성 이온성 액체 첨가제를 개발했다고 21일 밝혔다. 

리튬 금속 배터리는 기존 흑연 대신 리튬 금속을 음극재로 사용한 배터리로, 흑연을 쓴 배터리보다 에너지 밀도가 높은 차세대 전지다. 

하지만 리튬 금속은 증착 과정에서 생기는 뾰족한 모양(침상, dendrite)의 리튬이 내부 단락을 일으켜 배터리의 수명과 안전성을 저해한다는 문제가 있다. 침상이 성장하는 것은 리튬 팁(Tip)이 평평한 부분에 비해 강한 전기장을 띄어 리튬 이온 흐름이 돌출부에 집중되기 때문이다. 

이온성 액체는 침상의 리튬을 억제하는 첨가제다. 이온성 액체의 양이온은 리튬 팁에 흡착돼 알킬 사슬 기반의 반(反)리튬성 보호층을 형성하고, 이를 통해 리튬 이온을 팁 주변으로 반발시켜 리튬 증착이 균일하게 일어나도록 유도한다.

대칭성 이온성 액체에 의해 형성되는 최적의 반리튬성 보호층에 의한 균일한 리튬 증착 (자료=KAIST)

그러나 기존 이온성 액체는 분자 구조가 비대칭적이라 극성인 물과 비극성인 기름 모두에 친화적인 양친매성(amphiphilic)을 보이기 때문에 자가 응집 현상이 일어난다. 그 결과 상대적으로 이온성 액체가 부족한 부분이 나타나 불완전한 보호층이 생기는 문제가 있었다.

강지형 KAIST 교수 연구팀은 분자 구조가 대칭성을 띠는 이온성 액체 첨가제를 새롭게 개발했다. 최적의 반리튬성 보호층을 형성해 침상의 리튬 성장을 억제하고, 리튬 금속 배터리의 안정성을 크게 개선했다. 

연구진은 이온성 액체에 대칭성의 알킬 사슬을 도입해 양친매성을 완화했다. 그 결과, 이온성 액체가 응집 현상 없이 균일한 반리튬성 보호층을 형성한다는 것과 대칭 사슬 중 `n-헥실 사슬'이 최적의 보호층을 만든다는 것을 확인했다.

대칭성의 이온성 액체 첨가제를 삼원계(니켈·고발트·망간) 배터리에 사용한 경우, 600 사이클 동안 초기 용량의 80%를 유지하고 쿨롱 효율은 99.8%를 기록했다. 희박 전해액(E/C, electrolyte/cathode ratio=3.5 g/Ah), 초박막 리튬(두께 40μm)과 같은 실용적 조건에서도 250 사이클 동안 전극 용량이 80% 이상 유지되는 높은 안정성을 보였다. 이는 기존 기술보다 3배 향상된 결과이다.

이번 연구 결과는 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 게재됐다. (논문명 : Self-assembled Protective Layer by Symmetric Ionic Liquid for Long-cycling Lithium-Metal Batteries).

이번 연구는 한국연구재단의 미래소재디스커버리사업, 과학기술정보통신부의 리더연구자 지원사업, 나노소재기술개발사업, 2020 과학기술연구원 공동연구사업의 지원을 받아 수행됐다.