^*단락: 전기 회로의 두 점 사이의 절연(絕緣)이 잘 안되어서 두 점 사이가 접속되는 일. 양극과 음극이 맞닿아서 전지가 망가지는 현상을 뜻한다.

^*양극보호막: 일반적으로 불소를 첨가한 전해액의 경우 음극에 보호막(불소화 계면 층)을 만든다고 알려졌는데, 이번 연구에서 개발한 전해액에서는 음극은 물론 양극에도 보호막을 만들었다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

세계 전기자동차 시장은 연평균 37%씩 성장해 2020년에는 1,044만대 규모에 이를 것으로 예측된다. 스마트폰, 웨어러블(Wearable) 기기를 포함한 최신 IT 제품에 주로 적용되는 상용 리튬 이온 전지의 경우, 전지 구성 소재의 물리적 특성 한계로 인해 최대 에너지 밀도가 낮아(~250Wh/kg) 단거리(~160km) 주행용 자동차에만 제한적으로 적용할 수 있다.

최근 이차전지의 에너지 밀도를 획기적으로 높일 후보 기술인 리튬 금속 전지1)(최대 에너지 밀도 500Wh/kg)에 대한 관심이 급증하고 있다. 리튬 금속 전지는 리튬 금속을 음극으로 채용하고 고용량 양극을 결합해서 만든다. 그러나 기존 리튬 이온 전지에 사용되는 ‘카보네이트 전해액’을 그대로 적용하기는 어렵다. 카보네이트 전해액이 리튬 금속에 대해서 높은 반응성을 가져 폭발 위험성이 있기 때문이다. 고전압 리튬 금속 전지를 성공적으로 개발하기 위해서는 리튬 금속 음극에 대한 반응성이 낮고, 4V 이상의 고전압 양극에서도 작동이 가능한 ‘새로운 개념의 전해액 시스템’을 개발해야 한다.

2. 연구내용

본 연구에서는 리튬 금속 음극과 전해액 간에 원하지 않는 부반응을 억제하고, 고전압에서 리튬 전이금속 산화물2)인 하이니켈(니켈 함량이 80%를 차지하는 양극 소재, LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2) 양극의 계면 층을 안정화하는 ‘이온 농축형 불소화 인버스 전해액’을 개발했다. 

불소화 인버스 전해액3)은 리튬 염, 비불소화계 용매, 공용매(Cosolvent)인 불소화 에테르4), 불소화 카보네이트 첨가제로 구성된다. 염의 해리 작용이 없는 불소화 에테르를 용매로 같이 사용해, 리튬 염을 추가로 투입하지 않고 이온 농축형 인버스 전해액을 만들었다. 

불소화 카보네이트와 불소화 에테르는 리튬 전지 음극에서 반응해 리튬 친화형 불소화 계면층(LiF)을 형성한다. 이 계면층은 음극 표면에 리튬 금속이 수지상으로 자라는 덴드라이트5)의 형성을 억제하고 이온 이동을 원활하게 한다. 또 불소화 에테르 화합물은 반복적인 충·방전 과정에서 손상되는 불소화 계면 층을 리튬 친화형 화학6) 메커니즘에 의해서 수선하는 기능을 수행한다.  

또 불소화 카보네이트 첨가제는 음극뿐 아니라 양극 표면에 얇고 균일한 보호막을 형성해 양극의 구조적 안정성을 높이고, 에테르 용매가 고전압에서 분해되는 문제를 해결했다. 4V 이상 고전압에서 전해액이 양극에 달라붙어 분해가 일어나는 문제가 있는데, 양극에 형성된 보호막이 전해액이 달라붙는 현상을 효과적으로 억제했기 때문이다. 

또한 밀도 범함수 이론7) 계산을 통해 불소화 용매의 산화·환원 반응 경향성과 반응 메커니즘을 이론적으로 규명했다. 특히, 기존 전해액 대비 상대적으로 낮은 LUMO 에너지8)를 갖는 불소화 에테르 전해액은 환원 반응에서 에너지 장벽 없이 탈플루오르(불소를 잘 떼어내는 반응)가 가능해 리튬 금속 음극에 불소화 계면 층 형성을 촉진할 수 있었다.

본 연구에서 개발된 불소화 인버스 전해액은 일반적인 인버스 전해액의 저전압 및 고전압 조건에서의 불안정성 문제를 해결하여 고전압 리튬 금속 전지의 수명 저하 문제를 해결했으며 출력 특성 또한 크게 향상시켰다.

3. 기대효과

이번 연구에서 개발된 전해액 기술은 상용 리튬 이온 전지에 사용되는 카보네이트 전해액이 해결하지 못하는 리튬 금속 음극의 가역성을 크게 높이는 동시에 전기자동차의 주행거리를 획기적으로 개선할 수 있는 고용량 하이니켈 양극의 미시적 및 거시적 구조적 안정성을 확보할 수 있는 계면 메커니즘을 확립하는 데 기여했다. 이를 통해 전지의 고에너지 밀도화를 실현할 수 있는 고전압 리튬 금속 전지의 상용화를 가속화할 것이며 리튬 금속을 음극으로 채용한 다양한 형태의 고에너지 밀도 이차전지(리튬-공기, 리튬-황)의 전해액 소재 개발에도 많은 도움이 될 것으로 기대된다.