고려대학교(총장 김동원) 기계공학부 유동주 교수팀은 현재 사용되고 있는 흑연 음극 기반 리튬이온전지의 저온(-40oC) 및 고속 충전(10분 완충) 성능을 획기적으로 높이는 신규 불소화 전해질 소재를 개발했다.

전해질은 양극과 음극 사이에서 리튬 이온을 원활히 전달하는 매개체 역할을 하며, 전극 표면에서 리튬 이온을 내부로 빠르게 공급해야 한다. 하지만, 현재 상용화된 카보네이트 기반 전해질은 –20oC 이하 온도에서 결빙되어 리튬 이온을 전달하지 못하여 전지가 작동하지 못하는 문제점을 가지고 있다.

또한, 현재 리튬이온전지가 고속 충전을 하지 못하는 이유는 카보네이트 용매와 리튬 이온이 강하게 결합되어 있어, 고속 충전 시에 전극 표면에서 리튬 금속이 석출되는 문제 때문이다. 석출된 리튬 금속은 전지의 성능을 빠르게 열화시키거나, 음극과 양극 사이를 전기적으로 단락시켜 화재의 위험을 야기한다. 기존 전해질 연구는 첨가제를 사용하여 계면의 특성을 바꾸고자 했지만, 강한 용매와 리튬 이온과의 결합을 해결하지 못하는 문제점을 보유하고 있었다.

이번 연구에서는 전해질 용매의 불소화(Fluorination)를 통해 저온과 고속 충전 특성을 동시에 높이는 성과를 달성했다. 용매의 불소화는 리튬이온전지의 전기화학적인 특성을 향상한다는 보고가 있어왔지만, 이론적인 메커니즘이 밝혀지지 않고 있었다. 그러나, 이번 연구에서는 용매 분자 구조에서의 불소화 위치와 정도에 따라 물리, 화학, 전기화학적인 특성의 변화를 최초로 규명했으며, 저온/고속 충전을 위한 최적의 불소화 용매를 도출하는 성과를 냈다. 이번 연구를 통해 개발된 불소화 전해질을 사용할 경우, 기존 카보네이트 전해질에 비해 10분 완충 조건에서 5배 이상의 용량을 구현할 수 있으며, -20oC 저온에서 1.5배 이상의 용량을 구현하는 것이 확인됐다.

이와 더불어 불소화 용매는 불이 붙지 않는 난연성을 보유하고 있어, 전지의 화재 위험성을 극도로 낮추는 장점을 가지고 있다. 유동주 고려대 교수는 “이번 연구를 통해 밝혀진 용매의 불소화 메커니즘은 리튬이온전지 뿐 아니라 차세대 전지로 알려진 리튬 금속 전지, 리튬 황 전지, 나트륨이온전지용 신규 전해질 개발로 이어질 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 미국 에너지부 산하 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)와 공동 연구로 진행됐으며, 연구 결과는 에너지 재료분야 최상위 학술지인 어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)에 4월 9일자로 온라인 게재됐다.

심지현 기자  bodo@emoneynews.co.kr

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