[더테크=조재호 기자] 국내 연구진이 리튬 이차전지의 에너지 밀도를 높이고 고전압 구동시 안전성을 높여줄 용매를 개발했다.

카이스트는 19일 최남순 생명화학공학과 교수팀과 홍성유 UNIST 화학과 교수팀, 이규태 서울대 화학생물공학부 교수팀, 곽상규 고려대 화공생명공학과 교수팀, 이태경 경상국립대 나노·신소재공학부 고분자공학전공 교수와 공동 연구를 통해 4.4V의 높은 충전 전압에서 리튬 금속전지의 효율과 에너지를 유지하는 세계 최고 수준의 전해액 조성 기술을 개발했다고 밝혔다.

공동연구팀은 기존에 보고되지 않은 용매를 디자인하고 합성해 전해액의 용매로 사용했다. 전극-전해액 계면을 안정화하는 첨가제 기술과 조합을 통해 리튬 금속전지의 고전압 수명 성능·고속 충전 특성을 높이는데 성공했다.

리튬 금속전지를 오랜 기간 사용하려면 전해액의 이온 전달 성능과 함께 전극 표면을 보호하는 것이 필수적이다. 고전압 양극에 접촉하고 있는 전해액이 분해되지 않도록 전극과 전해액 사이에 보호층을 만들어야 한다.

최남순 교수 연구팀은 높은 충전 전압에서 안정적으로 사용할 수 있는 새로운 용매를 합성하는데 성공했다. 이를 첨가제 기술과 접목해 현저하게 향상된 상온 200회 기준 99.9% 가역 효율을 달성했다. 가역 효율이란 전지 충전과 방전 사이의 차이를 말한다.

전지 용량 유지율을 측정하는데 개발된 전해액 기술은 리튬 대비 4.4V 높은 충전 전압 조건에서 다른 전해액보다 약 5% 높은 75% 높은 방전용량 유지율을 보였다.

이번 연구에서 연구팀은 세계최초로 환형 설폰아마이드 계열 용매인 TFSPP는 기존 용매보다 우수한 고전압 안정성을 지녀 전지 내부 가스 발생을 억제할 수 있음을 확인했다.

아울러 연구팀은 두 가지 이온성 첨가제를 도입해 리튬 금속 음극에 형성된 보호층이 부피 변화를 견딜 수 있도록 설계했다. 전자 방출 경향성이 높은 첨가제를 적용해 양극 표면에 보호층을 형성해 양극의 구조 안정성을 향상했다. 개발된 새로운 구조의 고전압 용매는 전극을 보호하는 첨가제와 시너지 효과를 내 고전압 리튬 금속전지의 성능을 극대화했다.

최남순 카이스트 교수는 “TFSPP 용매는 기존 용매에 비해 열적 및 고전압 안정성이 매우 우수하고 전지 구동 중 전해액 분해를 최소화해 전지 내압 상승요인인 가스 발생을 억제하는 전해액 용매”라며 “연구팀 고유기술인 다중층 전극-전해액 보호층 형성을 통해 고전압 리튬 금속전지 실용화를 위한 전해액 설계에 있어서 새로운 이정표를 제시했다”고 연구의 의미를 설명했다.

국내 연구진이 진행한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’에 3월 6일 온라인에 공개됐다.