"400회 충전도 OK!"…오래 가는 '전기차 배터리' 첨가제 개발

울산과학기술원 연구팀, 지난 5일자 '네이처 커뮤니케이션즈'에 연구 결과 게재

사진제공=울산과학기술원(UNIST).

[아시아경제 김봉수 기자] 대용량 전기차 배터리의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 첨가제가 개발됐다.

14일 울산과학기술원(UNIST)에 따르면, 이 학교 에너지화학공학과 최남순·곽상규 교수와 화학과 홍성유 교수로 구성된 연구팀은 최근 대용량 리튬이온배터리 개발의 난제로 꼽혀 온 전극 소재의 불안정성을 해결할 수 있는 배터리 전해액 첨가제를 개발했다.

전기차를 비롯한 대용량 배터리 수요가 늘면서 상용 리튬이온배터리의 전극을 고용량 소재인 실리콘과 하이니켈로 대체하려는 연구가 활발하다. 하지만 실리콘 음극은 충·방전시 부피가 3배 이상 늘었다 주는 것이 반복돼 기계적 내구성 약하며, 하이니켈 양극 또한 화학적으로 불안정한 문제가 있다.

연구팀이 개발한 첨가제는 실리콘 혼합 음극 표면에 고무줄처럼 유연하고 신축성이 좋은 보호막을 만든다. 또 리튬이온 투과성(이동성)이 뛰어나 실리콘의 반복적 부피변화에 의한 기계적 과부하를 줄이고 고속충전이 가능해진다. 전해액 속 불산(HF)을 제거해 하이니켈 양극 내부 금속(니켈)이 밖으로 유출되는 것을 막는다. 양극 내부 금속의 양은 배터리 용량을 결정한다.

이 첨가제를 하이니켈 양극과 실리콘 혼합 음극으로 구성된 대용량 배터리에 투입했을 때 400회 충·방전 후에도 처음 용량을 81.5%를 유지했는데, 이는 상용 첨가제인 FEC나 VC보다 10%~30% 향상된 성능이다.

공동 제1저자인 박세원 UNIST 에너지화학공학과 연구원(박사 과정)은 “전지를 20분 내에 고속 충전하는 실험에서도 100회 동작 후에 1.9%의 용량 감소만 나타났다”고 덧붙였다. 또 곽상규 교수는 “개발된 첨가제는 전해액 속에서 분해돼 활성성분(라디칼)을 만든다”며 “이 활성성분이 다른 첨가제 성분들과 순차적 반응해 실리콘 전극 표면에 유연한 고분자 보호막을 만들게 된다”고 시뮬레이션을 통해 규명된 보호막 형성과정을 설명했다. 홍성유 교수도 “고분자 보호막을 형성하는 첨가제의 특정 구조는 일반적 화학반응으로 잘 합성되는 않는 구조라 중간 반응을 거치는 방식으로 문제를 해결했다”고 덧붙였다.

최남순 교수는 "이번 성과는 기존 첨가제(VC)의 단점을 보완할 수 있는 물질 구조 설계 및 실험, 시뮬레이션, 이 물질 구조를 실제로 만들기 위한 합성 방법 연구의 협업 결과”라며 “대용량 리튬이온배터리용 전해액 첨가제 개발의 새로운 방향을 제시했다”고 연구 의미를 짚었다.

연구 결과는 저명한 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)에 지난 5일자에 게재됐다. 연구 우수성을 인정받아 저널 편집자가 선정한 영향력 있는 논문(Editors’ Highlights)으로도 소개됐다. 한국에너지기술평가원의 에너지기술개발사업과 한국연구재단의 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 수행됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr