대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)은 이호춘 에너지공학과 교수, 남대현 교수, 한영규 동국대학교 융합에너지신소재공학과 교수 공동연구팀이 리튬이온전지의 열화현상을 개선하고 수명이 오래갈 수 있도록 돕는 전해액 첨가제 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.
보통 전해액 첨가제는 양극과 음극에서 각각 따로 작용하는데 새로 개발한 전해액 첨가제는 1% 미량으로 양극 보호는 물론 음극 제어에도 강력한 효과를 보여 전기차 상용화에 걸림돌로 작용한 열화현상을 해결할 수 있을 것으로 기대된다.
전기차를 비롯한 대용량 배터리 수요가 늘면서 상용 리튬이온배터리 전극을 고용량 소재인 니켈리치(니켈 함량이 60% 이상) 소재로 대체하려는 연구가 활발하다. 하지만 이 소재는 고온에서 배터리 성능이 저하되는 열화현상이 발생하는 한계가 있다. 최근에는 리튬염 첨가제를 이용해 다양한 양극 소재의 열화현상을 개선시킨다는 연구 결과가 보고됐지만, 니켈리치 소재의 문제점을 개선시키는 신규 첨가제 연구는 활발하게 이뤄지지 않았다.
연구팀은 이런 문제를 극복하는 방안으로 새로운 전해액 첨가제(LFMP)를 제안했다. 이 첨가제는 고온에서 구동되는 고용량 니켈리치 양극은 물론, 흑연 음극을 보호하는 계면층을 각각 동시에 형성했다. 이 보호막 덕분에 60℃의 높은 온도에서 250회 반복 충·방전에도 양극과 음극의 구조적인 안정성이 유지되고, 약 80일간 초기 충전전압을 그대로 유지하는 우수한 유지율을 보여줬다. 이에 대한 체계적인 원인분석을 통해 양·음극 각각의 효과를 명확하게 입증하였다.
새로 개발한 첨가제는 양극에서 화학적 반응성이 큰 활성산소의 일종인 초과산화물 라디칼의 생성을 억제해 기존 전해액의 분해를 제한하고 결과적으로 생성되는 가스 발생량을 제어하는 효과를 보였다. 음극에서는 전해액에 음극 보호막의 손상을 야기하는 독성물질인 오플루오린화 인 (PF5)의 공격을 보호막 안정성을 향상시킨다고 알려진 플루오린화 리튬(LiF)이 포함된 보호막이 효과적으로 제어함을 보여줬다. 이러한 체계화된 원인분석 시스템은 다양한 이차전지 원인분석 과정에 활용될 것으로 기대된다.
이번 연구는 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원(KEIT) 연구비 지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 관련 논문은 DGIST 에너지공학과 이호춘 교수 연구팀의 박종원 박사과정생이 제1저자로 참여했다. 최근 에너지 분야 저명 국제 학술지인 '에너지 스토리지 머티어리얼즈' 온라인에 게재됐다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
