세계 최고 수준의 리튬 금속전지 용매 만들었다

KAIST·UNIST·서울대·고려대·경상대 공동 연구
고전압 리튬 금속전지 최고 성능 전해액 개발
충방전 200회 동안 저장용량이 거의 줄지 않아

이차전지. 게티이미지 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 한번 충전에 더 많은 전기를 저장하고 오래 사용할 수 있는 리튬 금속전지에 들어갈 세계 최고 수준의 전해액 조성 기술을 개발했다. 이 전해액으로 만든 리튬 금속전지는 200회 이상 충방전을 거듭해도 저장용량이 거의 줄지 않았다. 또한 리튬 대비 4.4V 높은 충전 전압 조건에서 다른 전해액보다 약 5% 정도 높은 75.0%의 높은 전기용량 유지율을 보였다.

19일 한국과학기술원(KAIST)에 따르면 이번 기술개발은 KAIST 생명화학공학과 최남순 교수, UNIST 화학과 홍성유 교수, 서울대 화학생물공학부 이규태 교수, 고려대 화공생명공학과 곽상규 교수, 경상국립대 나노·신소재공학부 고분자공학전공 이태경 교수의 공동연구를 통한 결실이다.

리튬 이온전지는 음극에 흑연을 주로 사용한다면 리튬 금속전지는 리튬으로 만들어 용량을 10배 늘릴 수 있는 것으로 알려져 있다.

리튬 금속전지를 오랜 시간 사용하기 위해서는 전해액의 이온 전달 성능뿐만 아니라 전극 표면을 보호하는 것이 필수적이다. 전자를 주는 성질이 강한 리튬금속 음극과 전자를 빼앗으려는 고전압 양극에 접촉하고 있는 전해액이 분해되지 않도록 전극과 전해액 사이에 보호층을 형성시켜야 한다.

연구진은 전극-전해액 계면을 안정화하는 첨가제 기술과의 조합을 통해 리튬 금속전지의 고전압 수명 성능 및 고속 충전 특성을 획기적으로 높이는 데 성공했다. 전해액의 주 용매는 기존에 보고되지 않은 용매를 새롭게 디자인하고 합성해 불이 붙을 가능성이 낮은 환형 설폰아마이드 계열 용매 'TFSPP'를 사용했다. 이 용매는 기존에 사용되는 용매보다 우수한 고전압 안정성을 가져 전지 내부 가스 발생을 억제할 수 있었다.

또한, 두 가지 이온성 첨가제를 사용해 리튬 금속 음극에 형성된 보호층이 부피 변화를 견디도록 설계했다. 이와함께 전자 방출 경향성이 높은 첨가제를 적용해 양극 표면에 보호층을 형성해 양극의 구조 안정성을 향상시켰다.

연구진은 이 고전압 용매가 전극을 보호하는 첨가제와 함께 시너지 효과를 이끌어 고전압 리튬 금속전지 성능을 끌어올렸다고 설명했다.

KAIST 생명화학공학과 김세훈 박사과정생은 "용매와 첨가제의 조합 기술을 통해 실용화가 가능한 리튬 금속전지용 용매 조성 프레임을 개발했다"며 "전지의 사용기간을 연장하는, 보다 안정적인 전극-전해액 계면층을 형성하는 새로운 전해액 조성 기술"이라고 말했다.

한편, 연구진은 이번에 개발한 기술을 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자