첨가제 하나로 리튬 금속 전지 짧은 수명 극복

- 비불소계 나노 질화규소 적용한 다기능성 전해질 설계

리튬 금속 전지에서 나노 질화규소 첨가제의 작동 메커니즘. (자료제공: 한국연구재단)

a) 기준 전해질, 이전 보고된 산화 규소와 본 연구의 질화 규소 첨가제의 성능 비교 b) 실용적인 수준의 360Wh/kg 급 파우치셀 성능. (자료제공: 한국연구재단)

수명 짧은 리튬 금속 전지의 상용화를 가로막던 난제가 풀렸다. 극한 환경에서도 고수명을 유지하는 다기능성 전해질을 국내 연구진이 개발, 가볍고 에너지 밀도 높은 배터리의 등장이 기대된다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 KAIST 이진우 교수 연구팀이 최남순 교수 연구팀, 경상국립대 이태경 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 리튬 금속 전지의 낮은 수명 특성을 개선하고, 고속 충·방전과 고전압 성능을 높이는 나노 입자 전해질을 개발했다고 4월 11일 밝혔다.

리튬 금속 전지는 음극재에 리튬 금속을 사용한 전지로, 최상급 에너지 밀도를 가지고 있어 차세대 배터리로 주목받고 있다. 하지만 실용적인 조건에서 수명이 급격히 저하되고 고전압에서는 쉽게 부식돼 상용화를 위한 중요한 해결 과제로 남아있다.

장수명을 위한 대표적인 전해질 개질법으로 불소계 첨가제를 사용해 전지의 수명을 늘렸을 때 비싼 가격과 환경 오염, 다른 핵심 성능은 저하되는 현상이 한계로 지적됐다.

공동 연구팀은 리튬 금속 전지의 핵심 성능 간 균형을 깨뜨리지 않으면서 동시 향상을 끌어내는 전해질 설계 전략을 제시했다. 비불소계 나노 질화규소를 전해질에 첨가해 리튬 이온의 용매화 구조를 정밀하게 조절하고, 무기물이 풍부한 안정적인 고체전해질 계면 층을 형성하는 데 성공했다.

또한, 질화규소는 전해질의 분해로 발생하는 부식성 불화수소를 효과적으로 포집함으로써 양극 부식을 억제했고, 고전압 환경에서도 계면 안정성을 유지할 수 있었다. 이렇게 개발한 나노 입자 전해질을 적용한 리튬 금속 전지는 실용적인 조건은 물론 고온(50℃), 고속 충·방전(1C), 고전압(4.5V) 환경에서도 장기적인 사이클 성능을 유지함을 확인했다.

특히, 360Wh/kg급 파우치셀 테스트에서는 100사이클 후에도 74%의 용량을 유지하며 나노 입자 첨가제의 상용화 가능성을 실질적으로 입증했다.

연구 책임자인 이진우 교수는 “하나의 비불소계 첨가제에 다기능성을 구현하고 파우치형 배터리에 나노 입자 전해질을 최초로 활용했다는 점에서 의미가 있다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노 및 소재기술개발사업 지원을 받아 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 분야의 학술지인 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스(Energy&Environmental Science)’에 2월 13일 게재됐으며, 속 뒷표지(Inside Back Cover) 논문으로 선정됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]