울산과학기술원(UNIST) 연구진이 한 번 충전해 오래 달리는 장거리용 전기자동차에 적합하도록 배터리 용량과 수명을 늘리는 기술을 개발했다.
최남순·곽상규 에너지 및 화학공학부 교수팀은 ‘고리형 아미노 실레인(Amino Silane) 계열 첨가제’를 추가한 고용량 리튬 이온 배터리용 전해액 시스템을 개발했다고 17일 밝혔다.
이는 전체 전해액의 0.5% 수준 첨가제만 더해도 배터리 성능을 높일 수 있는 획기적인 기술로 평가받는다.
리튬 이온 배터리는 리튬 이온이 전극(양극과 음극)을 오가며 충·방전한다.
이때 전해액은 리튬 이온이 지나다니는 통로면서, 그 자체가 전극 표면과 반응해 보호막도 만든다.
따라서 고용량 배터리용으로 전극 물질을 바꾸면 전해액 시스템도 달라져야 한다.
고용량 양극으로는 ‘니켈 리치(Nickel Rich·니켈 함량이 60% 이상) 소재’가 주목받는데, 이 물질은 반응성이 커서 전극 표면에서 기존 전해액을 쉽게 분해한다.
또 전해액 구성 성분인 리튬염이 수분과 반응하고, 이때 나온 물질은 전극 보호막을 파괴하며 전이금속(전지 용량 결정)을 밖으로 꺼내 배터리 성능을 낮춘다.
최남순 교수팀은 이런 문제를 극복하고자 기존 전해액에 아미노 실레인 작용기를 지닌 새로운 첨가제(TMS-ON)를 추가했다.
이 첨가제는 전극 보호막을 파괴하는 산성 화합물 생성을 근본적으로 억제하며, 소량으로 생성된 산성 화합물까지 제거한다.
또 양극 표면에 새로운 보호막을 만들어 전극을 구조적으로 보호할 뿐 아니라, 전이금속이 전극 밖으로 나오는 것도 막는다.
곽상규 교수팀은 새 첨가제의 작동 원리를 이론적으로 규명했다.
분석 결과 첨가제의 형태인 고리 모양이 리튬염의 분해를 억제하는 것으로 나타났다.
또 첨가제 속에 포함된 ‘비공유 전자를 갖는 질소’가 리튬이 분해되면서 만들어지는 오불화인산을 안정화해 불화수소 생성을 막았다.
최 교수는 “수명이 긴 리튬 이온 배터리를 만들려면, 전극 보호막 생성뿐만 아니라 보호막을 공격하는 물질을 제거하는 첨가제 기술이 필수적”이라면서 “이번 연구로 ‘니켈 리치 양극’과 ‘흑연 음극’의 계면 구조 보호를 위한 전해액 첨가제의 새로운 역할에 대한 이해도 가능해졌다”고 밝혔다.
이번 연구 성과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너머 터 리얼스멜지 머터리얼스'(Advanced Energy Materials) 3일 자에 공개됐다.
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