KAIST 생명화학공학과 최남순 교수팀이 UNIST, 서울대, 고려대, 경상국립대와 공동연구로 세계 최고 수준의 고효율 고에너지밀도 리튬금속전지 전해액 기술을 개발했다.
19일 KAIST에 따르면 공동연구팀은 기존에 보고되지 않은 용매를 새롭게 디자인하고 합성한 전해액 용매와 전극-전해액 계면을 안정화시킨 첨가제 기술을 조합해 리튬금속전지의 고전압 수명을 늘이고 고속충전 특성을 획기적으로 높이는 데 성공했다.
전해액 조성 별 Li/Li 셀 사이클에 따른 실시간 광학 현미경 분석. (a)저농도 전해액 (b)개발 전해액 조성. KAIST 리튬금속전지를 오래 사용하려면 전해액의 이온 전달성능뿐 아니라 전극 표면을 보호하는 것이 필수적이다.
이를 위해 전자를 주는 성질이 강한 리튬금속 음극과 전자를 빼앗으려는 전해액이 분해되지 않도록 전극과 전해액 사이에 보호층을 형성시키는 것이 관건이다.
공동연구팀은 구동상한 전압한계가 있는 용매와 달리 높은 충전전압에서 안정적으로 사용할 수 있는 새로운 용매를 합성, 이를 첨가제 기술과 접목해 상온에서 99.9% 효율로 200회 사이클을 실현했다.
또 완전충전-완전방전 조건에서 첫 사이클 방전용량 대비 200사이클 방전용량으로 용량 유지율을 측정한 결과 다른 전해액보다 5% 높은 75%를 기록했다.
특히 연구팀이 세계 최초로 합성한 환형 설폰아마이드 계열 용매 ‘TFSPP’는 기존 용매보다 우수한 고전압 안정성을 가져 전지 내부 가스 발생을 억제했다.
(a)TFSPP 합성 메커니즘 및 용매 사진 (b)리튬금속전지의 고전압 구동을 위한 전해액 설계 방식 제안. KAIST 연구팀은 여기에 두 가지 이온성 첨가제를 적용, 리튬금속 음극에 형성된 보호층이 부피변화를 견디도록 설계했다.
이와 함께 전자방출 경향이 높은 첨가제를 적용해 양극 표면에 보호층을 형성함으로써 구조안정성을 향상시켰다.
이를 통해 개발한 새로운 구조의 고전압 용매는 전극을 보호하는 첨가제와 시너지를 일으켜 고전압 리튬금속전지 성능을 극대화시켰다.
전해액 조성에 따른 Li/NCM811 풀 셀 방전용량과 가역효율(쿨롱효율) 그래프. KAIST 이번 연구의 논문 공동 제1저자인 김세훈 KAIST 생명화학공학과 박사과정은 “용매와 첨가제의 조합 기술을 통해 실용화가 가능한 리튬 금속전지용 용매 조성 프레임과 안정적인 전극-전해액 계면층을 형성하는 새로운 기술을 개발했다”고 말했다.
최 교수는 “새로운 구조로 디자인된 TFSPP 용매는 기존 대비 열적 및 고전압 안정성이 우수하고 구동 중 전해액 분해를 최소화해 전지내부 압력 상승요인인 가스 발생을 억제한다”며 “TFSPP를 주 용매로 사용해 전지의 고온안정성을 개선하고 고전압 리튬금속전지 실용화를 위한 전해액 설계에 새로운 이정표를 제시했다”고 설명했다.
한편 이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 최남순 교수와 김세훈·송채은·이동현 연구원, UNIST 화학과 홍성유 교수와 전지환 연구원, 서울대 화학생물공학부 이규태 교수와 박교빈·송가원 연구원, 고려대 화공생명공학과 곽상규·유승호 교수와 권성현·현재환 연구원, 경상국립대 나노신소재공학부 고분자공학전공 이태경 교수가 공동 진행했다.
