오래 쓰는 전기차 배터리 만들 새로운 전해액 시스템

전기차 보급이 늘면서 ‘고용량 배터리’에 대한 관심이 높다. 음극에 ‘리튬 금속’을 쓰는 ‘리튬 금속 전지’도 이런 맥락에서 주목받는다. 그런데 리튬 금속의 반응성이 너무 커 안정성이 낮다는 게 문제다. 이를 전지 내 ‘전해액’으로 해결한 기술이 나왔다. 

UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 최남순–곽상규 교수팀은 불소 원자를 포함하는 용매를 이용한 ‘이온 농축형 전해액’을 개발했다. 이 전해액은 리튬 금속 전지의 음극과 양극에 보호막을 고르게 형성해, 전체 배터리의 수명과 출력을 높였다.

리튬 금속 전지나 리튬 이온 전지의 충·방전은 ‘리튬 이온’이 양극과 음극을 오가며 일어난다. 이때 리튬 이온이 지나는 통로가 ‘전해액’인데, 전해액 자체가 전극(음극/양극) 표면에서 반응해 보호막을 만들기도 한다. 그런데 이 보호막이 불균일하게 형성되면 문제가 생긴다. 음극에 리튬 금속이 뾰족하게 솟아나서 단락이 나타나거나, 양극을 변형해 전지 성능을 떨어뜨리는 것이다. 따라서 이상적인 형태의 보호막을 만드는 게 중요하고, 이를 위해 전해액 성분을 효과적으로 조절해야 한다.

그림1. 불소화 에테르계 용매와 불소화 카보네이트계 첨가제로 구성된 전해액의 리튬 금속 전지 수명 향상 기능

최남순 교수팀은 ‘불소(F)’를 함유한 새로운 조성의 전해액을 개발해, 음극과 양극을 동시에 보호하고 전지의 출력도 높였다. 불소는 리튬과 반응해 리튬 전극 표면에 보호막을 형성하고, 보호막이 부분적으로 파괴됐을 때 수선하는 역할도 했다.

제1저자인 이용원 UNIST 박사(現 LG화학 책임연구원)은 “불소를 첨가한 전해액이 양극에도 보호막을 만들면서 4V 이상 고전압에서 전해액이 분해돼 양극에 달라붙는 문제를 해결했다”며 “기존 리튬 이온 전지용 전해액에서는 확보할 수 없는 고전압·장수명 리튬 금속 전지를 구현할 수 있게 됐다”고 설명했다.

그림2. 일반적인 인버스 전해액과 불소화 인버스 전해액의 하이니켈 양극 계면 보호 기능

곽상규 교수팀은 이론 계산을 통해 불소를 포함한 용매의 반응 경향성과 반응 메커니즘을 규명했다. 특히 기존보다 환원 반응이 잘 일어나는 ‘불소화 에테르 용매’가 불소를 쉽게 내어주는 성질이 있어 음극에 보호막(불소화 계면) 형성을 촉진했다는 사실을 밝혔다. 곽상규 교수는 “이 계산 원리는 향후 리튬 금속 전지의 고성능화를 위한 기능성 전해액 소재와 첨가제 개발에 기여할 것”이라고 기대했다.

최남순 교수는 “이번에 규명된 전극 계면 안정화 메커니즘은 고에너지 밀도 전지 개발을 위한 전해액 시스템 설계에 활용될 것”이라며, “리튬 금속 전지와 동일한 양극을 사용하는 리튬 이온 전지를 비롯해 차세대 고에너지 밀도 전지의 전기화학적 성능을 높이는 데 많은 도움이 될 것”이라고 강조했다.

이번 연구는 저명한 국제학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 11월 20일자로 공개됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부의 기후변화대응기술개발사업과 산업통상자원부의 전략적핵심소재기술개발사업의 지원으로 이뤄졌다.