"추워도 성능 그대로"…리튬금속전지 게임체인저 나왔다 > IT/과학기사 | it/science

카이스트 연구팀, 전해액 기술 개발
"영하 20~영상60도에도 용매 성능 유지"

추운 겨울이면 가용 용량이 뚝 떨어지는 리튬이차전지의 단점을 극복할 수 있는 게임체인저 기술이 등장했다.

한국과학기술원KAIST은 최남순 생명화학공학과 교수 연구팀이 넓은 온도 범위에서 리튬금속 전지의 높은 효율과 에너지를 유지하는 세계 최고 수준의 전해액 기술을 개발했다고 4일 밝혔다. 개발된 전해액은 기존에 보고되지 않은 새로운 솔베이션 구조를 형성했으며 안정적인 전극-전해질 계면 반응을 확보할 수 있는 첨가제 기술을 통해 리튬금속 전지의 수명 특성을 획기적으로 향상시켰다. 솔베이션 구조란 일반적으로 염이온성 화합물 농도가 낮은 전해액에서는 양이온이 전하를 띠지 않은 용매에 의해 둘러싸여 동심원의 껍질Shell을 형성하는 것을 말한다. 염 농도를 증가시키지 않고 배터리의 작동 온도 범위를 넓히는 매우 중요한 인자다.

전기차 시대의 가속화에 따라 1회 충전에 긴 주행거리를 가능하게 하거나 전 세계 평균 기온에 속하는 넓은 온도 범위-20~60도에서 충전과 방전을 할 수 있는 고용량, 고에너지밀도 이차전지 개발의 중요도가 커지고 있다.

연구팀은 기존에 보고된 전해액 내 리튬 이온의 이동이 제한적이고 구동할 수 있는 온도 범위의 한계가 있는 전해액들과는 달리 넓은 온도 범위섭씨 영하 20~영상 60도에서 안정적으로 작용할 수 있는 용매 조성 기술과 전극계면 보호기술을 적용해 기존 연구 결과보다 현저하게 향상된 가역 효율 영하 20도 300회 99.9%, 상온 200회 99.9%, 고온 45도 100회 99.8%을 달성했다.

또 완전 충전-완전 방전조건에서 첫 사이클 방전 기준 용량 80%가 나오는 횟수까지를 배터리 수명으로 보고 있는데 개발된 전해액 기술은 상온25도에서 200회 충·방전 후에 첫 번째 사이클의 방전용량 대비 85.4%의 높은 방전용량 유지율을 보였다. 또한, 고온45도에서 100회 충·방전 후 91.5% 발현, 저온영하 20도 구동에서도 300회 충·방전 후 72.1% 발현하는 등 완전 충전-완전 방전조건에서 기존 상용 기술 대비 약 20% 높은 용량 유지율을 보여줬다.

연구팀은 "리튬 코발트 산화물 양극을 사용해 영하 20도에서 60도의 넓은 온도 범위에서 극대화된 성능을 발휘하는 새로운 솔베이션 구조를 가지는 전해액PWSE 기술을 개발했다"며 "영상 60~80도 고온 저장에서도 저장 성능이 유지됨도 확인했다. 특히 리튬금속 전지용 전해액 기준 프레임을 제시해 리튬이차전지 전해액 시장에서 게임 체인저가 될 것"이라고 설명했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 에너지 amp; 인바이론멘탈 사이언스 Energy amp; Environmental Science에 지난달 13일 온라인 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr

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