전기차 충전을 15분만에 끝냈다

KAIST, 새로운 배터리 전해질 개발
음극에 리튬 금속 달라붙지 않게 돼
300회 이상 충방전에도 성능 유지

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 최남순 교수팀이 신소재공학과 홍승범 교수팀과 함께 전기차 충전을 15분 이내에 끝낼 수 있는 리튬 이온 배터리의 새로운 전해질 용매를 개발했다고 17일 밝혔다. 이 전해질 용매 '아이소부티로니트릴(isoBN)'을 배터리에 적용한 결과, 상온에서 15분 내로 고속 충전됐으며, 300회 충·방전 후에도 94.2%의 성능을 유지했다.

최남순 교수는 "니트릴계 전해질 기술(isoBN)로 기존 고리형 카보네이트 전해질 소재(EC)의 한계를 극복함으로써 충전 시간 단축에 따른 전기차 대중화를 앞당기는 데 큰 진전을 이루며, 향후 에너지 저장 시스템(ESS), 드론, 우주 항공 산업 등 다양한 분야에서 리튬이온전지의 고속 충전 기술이 실용화될 수 있을 것"이라고 말했다.

연구진은 전해질이 리튬이온을 감싸고 있는 모양이나 배치, 즉 전해질 내에서 용매화 구조를 조절했다. 이는 배터리의 핵심 요소인 음극 계면층(SEI)의 형성을 최적화하여 리튬이온 이동을 원활하게 한다. 때문에 고속 충전때 리튬이 음극에 달라붙는 현상이나 배터리 수명 단축 등의 문제를 해결하는 방법이다.

기존 리튬이온 배터리 전해질에 사용되는 에틸렌 카보네이트(EC) 전해액은 높은 점성과 강한 용매화 특성으로 인해 고속 충전 시 리튬이온이 원활하게 이동하지 못한다. 이는 음극 계면층에 금속 리튬이 달라붙는 문제를 발생시킨다. 음극에 달라붙은 리튬은 다시 없앨 수 없어 배터리 수명 단축과 화재 위험을 증가시킨다.

연구진은 이같은 문제를 해결하기 위해 EC를 완전히 대체할 수 있는 새로운 전해질 용매인 '아이소부티로니트릴(isoBN)'을 사용했다.

연구진은 아이소부티로니트릴 용매를 사용해 EC 전해질 대비 55% 낮은 점성과 54% 높은 이온전도도를 가진 고이온 전달성 전해질 시스템을 개발했다. 실험 결과, 아이소부티로니트릴 전해질은 리튬이온의 탈용매화 에너지를 크게 감소시켜 15분 고속 충전 300회 사이클에서도 음극 상단부에 리튬금속이 달라붙지 않았으며, 이상의 기존 용량의 94.2% 이상을 유지했다.

한편, 최남수·홍승범 교수 이외에도 KAIST 생명화학공학과 송채은·한승희 연구원과 KAIST 신소재공학과 최영우 연구원이 배터리 전해질 개발에 참여했으며, 이를 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자