UNIST 에너지화학공학과 최남순·곽상규 교수와 화학과 홍성유 교수팀이 대용량 리튬이온배터리 개발의 난제로 꼽혀 온 전극 소재의 불안정성을 해결할 수 있는 배터리 전해액 첨가제를 개발했다.
수 백회 충·방전에도 배터리 초기 용량의 81.5%를 유지했다.
상용화된 최고 수준의 첨가제를 뛰어넘는 성능이라는 평가를 받고 있다.
전기차를 비롯한 대용량 배터리 수요가 늘면서 상용 리튬이온배터리의 전극을 고용량 소재인 실리콘과 하이니켈로 대체하려는 연구가 활발하다.
문제는 실리콘 음극은 충·방전시 3배 이상 부피가 확장 축소하면서 기계적 내구성이 약하고 하이니켈 양극은 화학적으로 불안정하다는 점이다.
연구팀이 개발한 첨가제를 사용하면 실리콘 혼합 음극 표면에 보호막을 만들어 유연성과 신축성을 제고시키고 리튬이온 투과성(이동성)을 향상시켰다.
실리콘의 반복적 부피변화에 의한 기계적 과부하를 줄이고 고속충전을 가능케 하는 것이다.
첨가제는 전해액 속 불산(HF)을 제거해 하이니켈 배터리 용량을 결정하는 양극 내부 금속(니켈)이 밖으로 유출되는 것도 막는다.
첨가제를 하이니켈 양극과 실리콘 혼합 음극으로 구성된 대용량 배터리에 투입했을 때 400회 충·방전 후에도 처음 용량을 81.5%를 유지했다.
이는 상용 첨가제인 FEC나 VC보다 10~30% 향상된 것이다.
전지를 20분 내에 고속 충전하는 실험에서도 100회 동작 후에 1.9%의 용량 감소만 나타났다다.
최남순 교수는 “이번 성과는 기존 첨가제(VC)의 단점을 보완할 수 있는 물질 구조 설계 및 실험, 시뮬레이션, 이 물질 구조를 실제로 만들기 위한 합성 방법 연구의 협업 결과”라며 “대용량 리튬이온배터리용 전해액 첨가제 개발의 새로운 방향을 제시했다”고 밝혔다
이번 연구는 전해액 시스템 구조 개발과 실험적 원리 규명은 최남순 교수와 박세원, 박민우 연구원이, 전해액 첨가제를 쉽게 얻는 합성법 개발은 홍성유 교수와 정서영 연구원이 맡았다.
곽상규 교수와 이태경 박사(현 한국에너지기술연구원 연구원)는 계산화학 시뮬레이션을 통해 첨가제의 고분자 보호막 형성 과정을 이론적으로 규명했다.
홍성유 교수는 “고분자 보호막을 형성하는 첨가제의 특정 구조는 일반적 화학반응으로 잘 합성되는 않는 구조라 중간 반응을 거치는 방식으로 문제를 해결했다”고 설명했다.
곽상규 교수는 “개발된 첨가제는 전해액 속에서 분해돼 활성성분(라디칼)을 만든다”며 “이 활성성분이 다른 첨가제 성분들과 순차적 반응해 실리콘 전극 표면에 유연한 고분자 보호막을 만들게 된다”고 밝혔다.
연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)에 지난 5일자로 출판됐으며, 연구 우수성을 인정받아 저널 편집자가 선정한 영향력 있는 논문으로도 소개됐다.
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