울산과학기술원이 리튬이온전지의 용량을 대폭 늘릴 수 있는 전해액 신소재를 개발했다.
울산과학기술원(UNIST·총장 정무영)은 최남순·홍성유 에너지 및 화학공학부 교수팀(이하 최 교수팀)이 리튬이온전지의 고전압, 고용량 한계를 극복할 수 있는 '전해액 첨가제'를 개발했다고 12일 밝혔다.
리튬이온전지의 에너지 용량을 높일 수 있는 방법은 실리콘계 음극 물질(실리콘-탄소 복합체)를 사용하는 것이다. 이론적으로 실리콘의 에너지 밀도가 탄소보다 10배 크다. 하지만 실리콘 기반 음극 물질은 충전과 방전 과정에서 3배 이상 팽창하기 때문에 상용화에 한계가 있었다.
최 교수팀은 먼저 팽창을 제어하는 물질을 개발했다. 이 물질은 실리콘 기반 음극 물질을 견고하게 둘러싸 팽창 시에도 구조적으로 안정성을 갖게 해준다.
또 양극에 고전압을 흘려도 망가지지 않도록 보호막을 설계했다. 첨가 물질이 전해액보다 먼저 분해돼 전극 표면에 보호층을 형성하는 원리다.
최 교수팀은 팽창 제어 물질과 보호막 설계 기술을 결합, 실리콘 음극의 부피 팽창을 제어하는 동시에 고전압에서 양극을 보호하는 전해액 첨가제를 완성했다.
실험 결과, 이 첨가제는 고전압에서 구동하는 '과리튬 양극' 보호는 물론, 고용량을 저장하는 '실리콘계 음극'을 보호하는 계면층 형성에 기여했다. 4.55V의 높은 전압에서 200회 반복 충〃방전해도 양극과 음극은 구조 안정성을 유지했다. 12분 만에 전체 용량을 모두 쓰는, 고출력 조건(5C)에서도 높은 용량 구현율을 나타냈다.
최남순 교수는 “전지 전체의 1% 정도를 차지하는 전해액 첨가제만으로 고전압 양극과 고용량 음극의 구현이 가능해 리튬이온전지 전체 성능을 높일 수 있다”면서 “고전압 양극 소재 개발과 고에너지 밀도를 갖는 리튬이온전지 상용화에 기여할 것”이라 말했다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
