불연 전해액하에서 4배 빠른 충전속도로 흑연 음극 이론용량 획득

리튬이온 이차전지의 안전성과 충전속도 향상 기대

□ 배터리의 화재위험은 줄이고 충전속도를 높이기 위한 기초연구성과가 국제학술지를 통해 소개됐다.

○ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 송승완 교수(충남대학교 응용화학 공학과) 연구팀이 리튬이온 이차전지의 충전속도를 4배 이상 향상시킬 수 있는 고안전성 계면제어 기술을 개발했다고 밝혔다.

□ 전기자동차와 에너지스토리지시스템(ESS) 시장이 확대되는 가운데 리튬이온전지의 에너지밀도와 충전속도를 높여 주행거리와 저장용량을 향상시키려는 노력이 활발하다.

○ 특히 리튬이온전지의 수명과 안전성을 좌우하는 전극 표면보호층 (SEI)의 안정성을 높이려는 연구가 활발하다. 전해액 소재 조절을 통해 전극 표면보호층을 안정화시키거나 불연성 또는 난연성 전해액을 개발함으로써 화재위험을 줄이려는 것이다.

※ 표면보호층(SEI, Solid Electrolyte Interphase) : 리튬이차전지 작동시 전해액 분해로 인해 전극 표면에 형성되는 보호층. 음극과 양극 표면을 전기화학적으로 안정화한다. 표면보호층 형성과 안정성은 전해액 조성에 의해 제어될 수 있으며 리튬이온 이차전지의 장수명과 안전성 확보를 위한 필수요소이다.

□ 하지만 리튬이온전지에 통상 사용되는 흑연음극의 경우 기존 전해액하에서 표면보호층이 비균일하거나 두껍게 형성될 수 있고, 표면보호층 자체가 저항으로 작용하여 충전속도와 용량을 낮추는 한계가 있었다.

○ 결국 흑연음극의 이론용량(372 mAhg-1) 에 도달하려면 20시간 이상 충전해야 했다.

□ 이에 연구팀은 새로운 유기계 불연성 전해액을 이용해 얇고 안정적인 낮은 계면저항을 갖는 표면보호층을 흑연음극 표면에 구축, 기존보다 4배 이상 빠르게 흑연음극을 충전하는 데 성공했다.

○ 빠른 충방전 속도로 흑연음극의 이론용량급인 370 mAhg-1을 획득하였고 안정한 충방전 사이클 성능을 획득하였다.

□ 기존에도 난연성 전해액 첨가제가 사용되나 흑연 음극과의 계면호환성이 낮은 경향 때문에 안전성은 향상되나 성능은 약화되는 문제가 있었다.

○ 반면 연구팀은 흑연 음극과의 계면호환성이 좋은 불연성 전해액을 개발해 얇고, 안정하고, 낮은 계면저항을 가지는 표면보호층을 흑연 음극 표면에 구축하여 리튬이온 이차전의 안전성과 성능을 모두 높이고자 한 것이다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지화학분야 ‘캠서스캠(ChemSusChem)’온라인에 8월 2일 게재되었다.