최남순·곽상규·홍성유교수
전극 소재 불안정성 해결할
배터리 전해액 첨가제 개발
대용량·고속충전 성능 향상
UNIST는 에너지화학공학과 최남순·곽상규 교수와 화학과 홍성유 교수팀이 대용량 리튬이온배터리 개발의 난제로 꼽혀 온 전극 소재의 불안정성을 해결할 수 있는 배터리 전해액 첨가제를 개발했다고 14일 밝혔다.
전기차를 비롯한 대용량 배터리 수요가 늘면서 상용 리튬이온배터리의 전극을 고용량 소재인 실리콘과 하이니켈로 대체하려는 연구가 활발하다. 하지만 실리콘 음극은 충·방전시 부피가 3배 이상 늘었다 줄어드는 것이 반복돼 기계적 내구성이 약하며, 하이니켈 양극 또한 화학적으로 불안정한 문제가 있다.
개발된 첨가제가 실리콘 혼합 음극 표면에 만든 보호막은 고무줄처럼 유연하고 신축성이 좋을 뿐만아니라 리튬이온 투과성(이동성)이 뛰어나다. 실리콘의 반복적 부피변화에 의한 기계적 과부하를 줄이고 고속충전이 가능한 이유다. 또 첨가제는 전해액 속 불산을 제거해 하이니켈 양극 내부 금속(니켈)이 밖으로 유출되는 것을 막는다. 양극 내부 금속의 양은 배터리 용량을 결정한다.
이 첨가제를 하이니켈 양극과 실리콘 혼합 음극으로 구성된 대용량 배터리에 투입했을 때 400회 충·방전 후에도 처음 용량의 81.5%를 유지했는데, 이는 상용 첨가제인 FEC나 VC보다 10~30% 향상된 성능이다.
이번 연구에서 전해액 시스템 구조 개발과 실험적 원리 규명은 최남순 교수와 박세원, 박민우 연구원이 담당했으며 화학과 홍성유 교수와 정서영 연구원은 전해액 첨가제를 쉽게 얻는 합성법을 개발했다. 곽상규 교수와 이태경 박사(한국에너지기술연구원 연구원)는 계산화학 시뮬레이션을 통해 첨가제의 고분자 보호막 형성 과정을 이론적으로 규명했다.
이번 연구 결과는 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션즈에 지난 5일자로 출판됐으며, 연구 우수성을 인정받아 저널 편집자가 선정한 영향력 있는 논문으로도 소개됐다.
차형석기자 stevecha@ksilbo.co.kr