전해액 첨가제 0.5% 더하면, 장거리용 전기차 배터리 된다

한 번 충전해 오래 달리는 장거리용 전기차 배터리를 위한 기술이 나왔다. 현재 사용하는 리튬 이온 배터리의 구성요소 중 전해액에 소량의 첨가제만 추가해 용량과 수명을 늘린 방식이다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 최남순–곽상규 교수팀은 ‘고리형 아미노 실레인 계열 첨가제’를 추가한 고용량 리튬 이온 배터리용 전해액 시스템을 개발했다. 이 첨가제는 전극 보호막을 공격하는 불순물 생성을 억제하는 동시에 양극에 새로운 보호막을 만드는 역할을 한다. 전체 전해액의 0.5% 수준만 더해도 양극과 음극을 보호하면서 배터리 성능을 높일 수 있는 획기적인 기술이다.

리튬 이온 배터리에서는 ‘리튬 이온’이 전극(양극/음극)을 오가며 충·방전한다. ‘전해액’은 리튬 이온이 지나다니는 통로면서, 그 자체가 전극 표면과 반응해 보호막도 만든다. 따라서 고용량 배터리용으로 전극 물질을 바꾸면 전해액 시스템도 달라져야 한다. 고용량 양극으로 ‘니켈리치 소재(Nickel Rich, 니켈 함량이 60% 이상)’가 주목받는데, 이 물질은 반응성이 크므로 전극 표면에서 기존 전해액을 쉽게 분해시킨다. 또한 전해액 구성 성분인 리튬염(LiPF₆)이 수분과 반응하고, 이때 나온 물질은 전극 보호막을 파괴하며 전이금속(전지 용량 결정)을 밖으로 꺼내 배터리 성능을 낮춘다.

[그림1]신규 개발 첨가제(TMS-ON)의 핵심 기능

최남순 교수팀은 기존 전해액에 ‘아미노 실레인(Amino Silane) 작용기를 지닌 새로운 첨가제(TMS-ON)’을 추가해 기존 문제점을 극복했다. TMS-ON 첨가제는 전극 보호막을 파괴하는 산성 화합물 생성을 근본적으로 억제하며, 소량으로 생성된 산성 화합물까지 제거한다. 또 양극 표면에 새로운 보호막 만들어, 전극을 구조적으로 보호할 뿐만 아니라 전이금속이 전극 밖으로 나오는 것도 막는다.

제1저자인 김고은 UNIST 박사(現 현대자동차 연구원)는 “산성 화합물은 배터리 양극뿐 아니라 음극의 보호막도 공격한다”며 “새로운 첨가제는 산성 화합물의 생성 자체를 억제하므로 음극까지 보호할 수 있다”고 추가 설명했다.

곽상규 교수팀은 계산을 통해 신규 첨가제(TMS-ON)의 작동 원리를 이론적으로 규명했다. 분석 결과 첨가제의 형태인 고리 모양이 리튬염의 분해를 억제하는 것으로 나타났다. 또 첨가제 속에 포함된 ‘비공유 전자를 갖는 질소(N)’가 리튬이 분해되면서 만들어지는 오불화인산(PF₅)를 안정화해 불화수소(HF)의 생성 자체를 막는다. 곽 교수는 “첨가제의 리튬 이온 결합 에너지가 낮아서, 기존 전해액의 성분인 리튬육불화인산(LiPF₆)의 해리도를 효과적으로 증가시킨다”며 “또한 전해액과 전극 물질이 반응해 생성되는 오불화인산(PF₅)도 안정화한다”고 설명했다.

[그림2] 기존 전해액과 개발 전해액(TMS-ON)의 양극 계면 보호 기능 비교

최남순 교수는 “수명이 긴 리튬 이온 배터리를 만들려면, 전극 보호막 생성뿐만 아니라 보호막을 공격하는 물질을 제거할 수 있는 첨가제 기술이 필수적”이라며 “이번 연구로 ‘니켈 리치 양극’과 ‘흑연 음극’의 계면 구조 보호를 위한 전해액 첨가제의 새로운 역할에 대한 이해도 가능해졌다”고 연구 의미를 짚었다.

이번 연구는 재료 분야의 세계적인 저널 ‘어드벤스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’에 3월 3일자로 공개됐다. 연구 수행은 현대자동차와 산업통상자원부의 에너지기술개발사업의 지원으로 이뤄졌다.