리튬배터리 발목잡던 용매 2개 섞었더니…"되레 수명 3배 증가"

기존 배터리 수명을 3배 이상 늘릴 수 있는 전해액이 개발됐다.

12일 UNIST는 송현곤 에너지화학공학과 교수와 서동화 KAIST 신소재공학과 교수팀이 이같은 전해액을 개발했다고 밝혔다.

리튬금속배터리는 리튬금속을 음극으로 쓰는 배터리다. 리튬금속이 전해액과 불필요하게 반응하기 때문에, 용량이 급격히 줄는 단점이 있다. 고전압으로 충전할 때 더 심하다.

충·방전 후 리튬금속 표면의 주사전자현미경(SEM) 이미지. 기존 전해질에서는 리튬이 거칠고 성기게 석출되는 반면, 협동 용매화 전해질에서는 치밀하고 평탄하게 석출됐다. 그림=UNIST)

UNIST와 KAIST 연구팀이 이 문제를 에틸렌카보네이트(EC)와 설폴레인(SL) 두 용매를 혼합하는 방법으로 해결했다. 두 용매를 3대 7로 섞고, 리튬염과 전극 보호막을 안정화하는 소량의 첨가제를 더한 결과 이 배터리는 25℃에서 4.5V로 충전할 경우 150회 충·방전한 뒤에도 초기 용량의 약 80%를 유지했다.

기존 탄산염계 전해액을 쓴 배터리는 약 50회 만에 충·방전해도 초기 용량의 80% 이하로 떨어진다.

송현곤 교수는 "원래 EC와 SL 용매는 모두 리튬금속배터리에는 부적합하다. 리튬이온은 자신을 둘러싸고 있던 용매 분자를 떼어내고 음극 표면에 리튬금속 형태로 석출돼야 하는데, 두 용매의 분자는 리튬이온을 강하게 붙잡아 이 과정을 방해하기 때문"이라고 말했다.

송 교수는 "두 용매를 섞자 두 용매 분자끼리 서로를 끌어당기면서 리튬이온을 붙잡는 힘은 오히려 약해졌다"며 "연구팀이 이 같은 현상을 규명하고 이를 협동 용매화로 명했다"고 부연 설명했다.

용매화는 용매 분자가 리튬이온을 둘러싸는 현상이다. 협동 용매화에서는 두 용매가 서로 영향을 주면서 리튬이온과의 결합이 조절된다.

연구팀은 실제 98.24%의 초기 쿨롱효율과 평균 99.35%의 쿨롱효율을 기록했다. 쿨롱효율은 석출된 리튬을 얼마나 다시 이온으로 되돌려 쓸 수 있는지 보여주는 수치다.

홍진기 연구원(제1저자)은 “결합력이 강한 두 용매를 섞어 오히려 리튬이온과의 결합을 약하게 만드는 것은 기존의 전해질 설계 통념을 뒤집는 새로운 설계 원리”라며 “리튬금속배터리 외에도 상용 리튬이온배터리의 전해액 성능을 높이는 데 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다.