[더테크=조재호 기자] 리튬이차전지의 단점을 극복한 ‘게임 체인저’ 전해액 기술이 개발됐다. 고성능 전지 시스템 디자인의 필수 요소 중 하나인 성능 저하 문제와 온도 구동 범위를 확보했다. 추위에 약한 전기 에너지의 단점을 극복했다는 점에서 눈길을 끈다.

최남순 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수 연구팀은 전세계 평균 기온(–20~60도)에 속하는 온도 범위에서 리튬금속 전지의 에너지를 유지해 높은 효율을 보이는 전해액 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

개발된 전해액은 새로운 솔베이션 구조를 형성했으며, 안정적인 전극-전해질 계면 반응을 확보할 수 있는 첨가제 기술을 통해 리튬금속 전지의 수명을 획기적으로 개선했다.

솔베이션 구조란 염(이온성 화합물) 농도가 낮은 전해액에서 양이온 전하를 띠지 않는 용매에 둘러싸여 동심원의 껍질(Shell)을 형성하는 것을 말한다. 염 농도를 증가시키지 않고 배터리 작동 온도 범위를 넓히는 매우 중요한 인자다.

연구팀은 기존 전해액 내 리튬 이온 이동이 제한적이고 구동할 수 있는 온도 범위의 한계를 –20~60도로 넓힌 용매 조성 기술과 전극계면 보호 기술을 적용해 기존보다 향상된 가역 효율을 달성했다.

최 교수는 더테크에 “이번 연구로 추위에 약한 배터리 기술의 한계를 극복했다는 점이 고무적”이라며 “한국 솔베이의 지원으로 연구를 진행한 만큼 상용화 전망도 밝고, 국내 배터리 3사가 개발 중인 전고체배터리 기술에도 활용 및 응용이 기대된다”고 말했다.

배터리 가역 효율은 충전 시 배터리 용량 손실을 일컫는 말로 가역 효율이 높을수록 배터리 용량 손실이 적어 실용화 가능성이 커진다. 완전 충전에서 방전된 사이클을 기준으로 용량의 80%까지를 배터리 수명으로 본다.

이번 전해액 기술을 상온(20도)에서 200회 충·방전을 거친 후 첫 사이클에서 85.4%의 높은 유지율을 보였다. 아울러 고온(45도)에서 100회 충·방전 후 91.5%, 저온(-20도)에서도 300회 충·방전 후 72.1%를 유지해 기존 상용 기술 대비 약 20% 높은 용량 유지율을 보였다.

새로운 솔베이션 구조의 전해액 기술은 리튬 코발트 산화물 양극을 사용해 넓은 온도 범위에서 극대화된 성능을 보여줘 의미가 컸다. 여기에 60도와 80도 고온 환경에서도 저장 성능이 유지됨을 확인했다.

연구진은 새로운 솔베이션 구조에 의한 리튬 이온의 이동도 향상과 구동 온도 범위 확장은 기존에 전해액 기술의 한계를 뛰어넘은 게임 체인저가 될 것이라고 설명했다.

한편, 이번 연구는 국제 학술지 `에너지 & 인바이론멘탈 사이언스 (Energy & Environmental Science)'에 지난달 13일 온라인 게재됐다.