KAIST, 리튬 금속배터리 용매 개발

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 리튬 이차전지의 에너지 밀도를 높이고, 고전압 구동시 안정성을 높여줄 용매를 선보였다.

최남순 KAIST 생명화학공학과 교수.(사진=KAIST)

한국과학기술원(KAIST)의 최남순 생명화학공학과 교수팀은 홍성유 UNIST 화학과 교수팀, 이규태 서울대 화학생물공학부 교수팀, 곽상규 고려대 화공생명공학과 교수팀, 이태경 경상국립대 나노·신소재공학부 고분자공학전공 교수팀과 4.4V의 높은 충전 전압에서 리튬 금속전지의 효율과 에너지를 유지하는 전해액 조성 기술을 개발했다.

연구팀은 용매를 새로 설계하고, 합성해 전해액 주 용매로 사용했다. 이후 전극·전해액 계면을 안정화하는 첨가제 기술과 조합해 리튬 금속전지의 고전압 수명 성능과 고속 충전 특성을 높였다.

리튬 금속전지를 오랜 시간 사용하려면 전해액의 이온 전달 성능뿐만 아니라 전극 표면을 보호해야 한다. 특히 전자를 주는 성질이 강한 리튬금속 음극과 전자를 빼앗으려는 고전압 양극에 접촉하고 있는 전해액이 분해되지 않도록 전극과 전해액 사이에 보호층을 형성시켜야 한다.

연구팀은 상한 전압의 한계가 있는 용매들과는 달리 높은 충전 전압에서 안정적으로 사용하는 새로운 용매를 합성했다. 이를 첨가제 기술과 접목해 향상된 가역 효율(상온 200회, 99.9%)을 달성했다. 전해액 기술은 리튬 대비 4.4V 높은 충전 전압 조건에서 다른 전해액보다 약 5% 정도 높은 75%의 높은 방전용량 유지율도 나타냈다.

또 두 가지 이온성 첨가제를 도입해 리튬 금속 음극에 형성된 보호층이 부피 변화를 견디도록 설계했다. 전자 방출 경향성이 높은 첨가제도 적용해 양극 표면에 보호층을 형성해 양극의 구조 안정성을 높였다.

최남순 KAIST 교수는 “TFSPP 용매는 기존 용매에 비해 열적·고전압 안정성이 우수하고 전지 구동 중 전해액 분해를 최소화해 전지 내압 상승요인인 가스 발생을 억제한다”라며 “TFSPP를 주 용매로 사용해 전지의 고온 안정성을 개선하고, 고전압 리튬 금속전지 실용화를 위한 전해액 설계에서 새 이정표를 제시했다”라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 지난 6일자로 게재됐다.