KAIST 신소재공학과 강지형·박찬범 교수, 충남대 송우진 교수 공동연구팀이 전기자동차 등에 쓰이는 긴 수명 리튬 금속 배터리를 위한 새로운 액체 첨가제를 개발했다.
최적의 대칭성 이온성 액체 보호층을 새롭게 개발해 리튬 금속 배터리의 안정성을 크게 개선할 것으로 기대된다.
21일 KAIST에 따르면 리튬 금속은 증착 시 발생하는 침상(dendrite)의 리튬이 내부 단락을 일으켜 배터리의 수명과 안전성을 저해시킨다는 문제점이 있다.
이온성 액체는 이러한 침상의 리튬을 억제할 수 있는 유망한 첨가제다.
이온성 액체의 양이온은 리튬 팁에 흡착돼 알킬 사슬 기반의 반(反)리튬성 보호층을 형성하고 이를 통해 리튬 이온을 팁 주변으로 반발시켜 균일한 리튬 증착을 유도할 수 있다.
그러나 기존의 이온성 액체는 비대칭적인 분자 구조를 가져 높은 양친매성(amphiphilic, 극성인 물과 비극성인 기름 모두에 친화적인 성질)을 보이기 때문에 자가 응집되는 현상이 일어난다.
그 결과 상대적으로 이온성 액체가 부족한 부분이 발생해 불완전한 보호층이 생기는 문제가 있었다.
이에 연구팀은 최적의 반리튬성 보호층을 형성하는 분자 구조가 대칭성을 띠는 이온성 액체 첨가제를 새롭게 개발해 침상의 리튬 성장을 억제하고 리튬 금속 배터리의 안정성을 크게 개선했다.
공동연구팀은 이온성 액체에 대칭성의 알킬 사슬을 도입해 양친매성을 완화했다.
즉, 이온성 액체가 응집 현상 없이 균일한 반리튬성 보호층을 형성한다는 것과 대칭 사슬 중에 ‘n-헥실 사슬’이 최적의 보호층을 만든다는 것을 확인했다.
실제, 대칭성의 이온성 액체 첨가제를 삼원계(니켈·고발트·망간) 배터리에 사용한 경우, 600 사이클 동안 쿨롱 효율 99.8%와 초기 용량의 80%를 유지하며 우수한 성능을 보였다.
또, 희박 전해액(E/C, electrolyte/cathode ratio=3.5 g/Ah), 초박막 리튬(두께 40μm)과 같은 실용적인 조건에서도 250 사이클 동안 전극의 용량이 80% 이상 유지되는 높은 안정성을 보였다.
이는 기존 기술 대비 3배 향상된 결과이다.
강지형 교수는 “이번에 개발된 신개념 전해질은 급속도로 성장하고 있는 배터리 소재 시장에 게임 체인저가 될 것으로 기대된다”고 말했다.
한편, 이번 연구 결과는 에너지 재료 분야 저명 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스’ 10일자 온라인판에 게재됐다.
