국내 연구진, 리튬 금속 전지 수명 개선한 나노 입자 전해질 개발

국내 연구진이 차세대 에너지 저장장치로 주목받는 리튬 금속 전지의 수명을 획기적으로 개선할 수 있는 나노 입자 전해질을 개발했다.

이 기술은 고속 충·방전과 고전압 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있어 전기차와 항공우주용 배터리 상용화에 핵심적 전환점을 제공할 것으로 기대된다.

한국연구재단은 10일 KAIST 이진우·최남순 교수, 경상국립대 이태경 교수 연구팀이 공동연구를 통해 리튬 금속 전지의 수명과 안정성을 향상시키는 비불소계 나노 질화규소 기반 전해질을 개발했다고 밝혔다.

리튬 금속 전지는 최고 수준의 에너지 밀도를 제공하지만, 수명이 짧고 고전압에서 부식이 발생하는 문제가 있어 상용화에 장애가 되어왔다.

기존에는 불소계 첨가제를 사용해 전지 수명을 늘렸지만, 고비용과 환경오염 문제가 동반됐으며 전지의 다른 성능 요소도 희생하는 한계가 있었다.

이에 반해 이번에 개발된 전해질은 질화규소 나노 입자를 통해 리튬 이온의 용매화 구조를 정밀 제어하고, 무기물이 풍부한 고체전해질 계면층을 형성함으로써 리튬 금속의 부식을 효과적으로 억제했다.

또한 해당 첨가제는 전해질 분해 과정에서 발생하는 불화수소를 포집해 양극의 안정성을 향상시켰다.

그 결과, 고온(50도), 고속 충·방전(1C), 고전압(4.5V) 조건에서도 장기적인 사이클 성능을 유지할 수 있음을 실험을 통해 입증했다.

특히 에너지 밀도 360Wh/kg급 파우치셀 시험에서 100회 사이클 후에도 초기 용량의 74%를 유지함으로써 실질적인 상용화 가능성을 보여줬다.

이는 파우치형 배터리에 비불소계 나노 입자 전해질을 적용한 첫 사례로 평가된다.

이진우 교수는 “하나의 친환경 첨가제가 전지 수명, 고속 충·방전, 고전압 성능을 모두 향상시켰다”며

“이번 기술은 리튬 금속 전지를 활용한 고성능 배터리 상용화의 핵심 열쇠가 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업 지원을 받아 진행되었다.

관련 성과는 국제 에너지 분야 저널 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 2월 13일자로 게재됐다.

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신혜연 (karung2@sabanamedia.com) 기사제보