[아이뉴스24 최상국 기자]KAIST 연구진이 리튬인산철(LFP) 배터리의 수명을 크게 늘릴 수 있는 전해질 첨가제를 개발했다고 발표했다.
최남순 KAIST 생명화학공학과 교수팀은 저비용 리튬인산철 양극과 흑연 음극으로 구성된 리튬이온 이차전지의 수명 횟수를 늘린 전해질 첨가제 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.
연구진은 첨가제가 없는 전해질과 비교할 때 전기차용 LFP 배터리의 수명을 고온에서 20%, 상온에서 9% 늘릴 수 있으며 기업에 바로 적용 가능한 기술이라고 설명했다.
1회 충전에 500km 이상 운행할 수 있는 전기자동차를 실현하기 위해서는 고에너지밀도 전지가 필수적이다. 리튬인산철 양극은 니켈-코발트-망간(NCM)으로 구성된 삼원계 양극에 비해 낮은 용량과 낮은 구동 전압을 갖고 있지만 가격이 싸고 열 안정성이 뛰어나 팩 단위에서는 고에너지 밀도 확보가 가능하다는 장점이 있다. 다만 전자전도도가 낮아 저온 및 높은 전류 밀도 조건에서 성능이 저하되는 한계를 가진다.
기존 전해질 첨가제 연구는 주로 흑연 음극을 보호하기 위해 설계돼 높은 이온전도도를 가짐과 동시에 전해질 부반응이 억제되고 리튬 덴드라이트(나무가지 모양의 결정)가 성장하지 않도록 하기 위해 낮은 전자전도도를 갖는 계면층을 형성시켰다.
이와 다르게 연구팀이 개발한 전해질 첨가제는 흑연 음극을 보호함과 동시에 리튬인산철 양극을 보호하며 양극 표면에서 전자전도도와 이온전도도의 균형을 맞추는 데 성공했다. 이는 배터리 충·방전 횟수 증가에 따른 급격한 용량 감소 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술이다.
연구진은 이 기술이 일반적인 실험실 수준이 아닌 기업에서 요구하는 수준의 높은 합재 밀도를 가진 흑연 음극과 리튬인산철 양극을 사용해 배터리의 장수명을 실현했다는 점과 저비용으로 극대화된 효율을 낼 수 있는 리튬인산철용 전해질 첨가제 디자인의 방향성을 제시했다는 점에서 의미가 크다고 평가했다.
관련논문의 공동제1저자인 KAIST 생명화학공학과 문현규 연구원은 “개발된 전해질 첨가제는 내열성과 전도성이 우수한 전극 계면 층을 형성해 리튬인산철 양극과 흑연 음극으로 구성된 전지의 구동 온도인 45도 500회, 25도 1000회 충·방전 후에도 각각 초기용량의 80.8%, 73.3%를 발현했으며, 이는 첨가제가 없는 전해질과 비교하여 각각 20.4%, 8.6% 향상된 수치”라고 설명했다. “또한, 리튬인산철 양극의 낮은 전자전도 특성을 개선해 고속 충전 조건에서도 효과가 있었다” 라고 말했다.
최남순 교수는 “이번 성과는 양산 수준의 전극 로딩 조건에서 상온에서부터 고온에 이르기까지 온도 내구성이 뛰어난 전극 계면층을 형성하는 전해질 첨가제 기술로 전기차 배터리 등에 활용이 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구는 현대자동차의 지원을 받아 수행됐으며, 국제 학술지 `어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈 (Advanced Functional Materials)’에 5월 9일 온라인 공개됐다. (논문명 : Balancing Ionic and Electronic Conduction at the LiFePO4 Cathode–Electrolyte Interface and Regulating Solid Electrolyte Interphase in Lithium-Ion Batteries).
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