KAIST, 넓은 온도 범위에서 고효율 유지하는 리튬금속전지 전해액 개발

"리튬 배터리 전해액 게임 체인저 될 것"

국내 연구진이 영하 20도에서 영상 60도 사이 환경에서 효율적으로 충방전할 수 있는 배터리 전해액 기술을 개발했다.

KAIST(총장 이광형)는 생명공학과 최남순 교수 연구팀이 넓은 온도 범위에서 리튬금속 전지의 효율과 에너지를 유지하는 전해액 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

기존 배터리는 전해액 내 리튬 이온의 이동이 제한적이고, 구동할 수 있는 온도 범위에도 한계가 있다. 연구팀은 새로운 용매 조성 기술과 전극계면 보호 기술을 적용해 기존보다 높은 가역 효율을 달성했다. 가역 효율이 높을수록 충방전 사이클을 거듭해도 배터리 용량 손실이 적다. 연구팀은 영하 20도 300회 사이클에서 99.9%의 가역 효율을, 상온에선 200회 사이클에 99.9%의 가역 효율을 기록했다. 45도의 고온에선 100회 사이클에 99.8%를 기록했다.

또 완전 충전-완전 방전조건에서 첫 사이클 방전 기준 용량 80%가 나오는 횟수까지를 배터리 수명으로 보고 있는데, 개발된 전해액 기술은 25도의 상온에서 200회 충·방전 후 첫 번째 사이클의 방전용량 대비 85.4%의 높은 방전용량 유지율을 보였다. 고온(45도)에서 100회 충·방전 후 91.5% 발현, 저온(영하 20도) 구동에서도 300회 충·방전 후 72.1% 발현했다. 이는 완전 충전-완전 방전조건에서 기존 상용 기술 대비 약 20% 높은 용량 유지율이다.

(상단) 전해액의 솔베이션 구조의 변화와 (하단) 개발 전해액 조성의 작동 메커니즘 모식도. (자료=KAIST)

연구팀은 전해액에 기존에 보고되지 않은 새로운 솔베이션 구조를 형성해 이같은 성과를 얻었다. 솔베이션 구조는 염(이온성 화합물) 농도가 낮은 전해액에서 양이온이 전하를 띠지 않은 용매에 의해 둘러싸여 동심원의 껍질(shell)을 이룬 구조다. 이 구조를 개선하면 염 농도를 높이지 않고 배터리 작동 온도 범위를 넓힐 수 있다.

최남순 교수는 "이 기술은 리튬이온을 끌어당기는 힘이 다른 두 개의 용매를 사용해 리튬이온이 잘 이동하게 하고 전극 표면에서도 원하지 않는 부반응을 감소시키는 새로운 솔베이션 구조를 형성, 리튬금속 전지 구동 온도 범위를 넓혔다"라며 "이러한 솔베이션 구조 개선 기술과 전해액 첨가제에 의한 안정적인 전극-전해질 계면 형성의 시너지 효과는 고에너지 밀도 리튬금속 전지의 난제들을 해결하고 전해액 설계의 새로운 방향을 제시했다ˮ라고 밝혔다.

이 연구는 솔베이 스페셜티 코리아와 후성의 지원으로 수행됐으며, 학술지 '에너지 & 인바이론멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)'에 최근 공개됐다. 논문 제목은 Wide-temperature-range operation of lithium-metal batteries using partially and weakly solvating liquid electrolytes 이다.