저렴한 대신 에너지밀도가 낮은 리튬인산철(LFP) 이차전지의 단점을 극복할 수 있는 전해질첨가제가 국내 기술로 개발됐다.
KAIST는 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 리튬인산철 양극과 흑연 음극으로 구성된 리튬이온 이차전지의 상온 및 고온 충전수명을 늘린 전해질첨가제 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.
리튬인산철 양극은 다른 양극재보다 저렴한 가격, 우수한 열 안정성과 사이클 수명 등에서 장점이 있지만, 구조적으로 낮은 리튬이온 확산속도, 낮은 전자전도 특성, 특히 저온이나 높은 전류밀도 조건에서 성능이 저하되는 한계가 있었다.
연구팀은 리튬인산철/흑연 풀 셀의 전기화학적 특성을 향상시키기 위해 ‘1-(트리메틸실릴)-1H-벤조트리아졸(TMSBTA)’ 첨가제를 개발했다.
TMSBTA 첨가제는 리튬인산철 이차전지를 고온에서 500회 충방전 후 초기용량의 80.8%의 용량을 확보하는 향상된 수명 성능을 보였다.
또 상온에서 1000회 충방전 후 초기용량의 73.3%의 용량을 발현했고, 이온전달성 피막을 형성해 고속충전 가능성도 제시했다.
이는 첨가제가 없는 전해질과 비교해 고온과 상온에서 각각 20.4%, 8.6% 향상된 수치다.
TMSBTA 전해액 첨가제 도입 유무에 따른 리튬인산철 양극 및 흑연 음극 풀 셀 수명성능 그래프. a) 45도 고온 수명평가, b) 25도 상온 수명평가, c) 45도 고온 고속충전 수명평가. KAIST 아울러 양극 표면에서 전자전도도와 이온전도도의 균형을 맞춤으로써 이차전지 충방전 횟수 증가에 따른 급격한 용량감소 문제를 해결할 수 있음을 보여준다.
특히 이 기술은 실험실 수준이 아닌 기업에서 요구하는 수준의 높은 합재 밀도를 가진 흑연 음극과 리튬인산철 양극을 사용함으로써 이차전지의 상온 및 고온에서 긴 수명을 저비용으로 실현했다는 점에서 큰 의미를 갖는다.
TMSBTA 첨가제가 형성하는 고체 전해질 계면막에 대한 디자인 모식도. KAIST 이번 연구의 공동 제1저자인 KAIST 생명화학공학과 문현규 연구원은 “현재 전기자동차 베터리의 수명을 10년 보장한다면, 이번에 개발한 첨가제를 적용하면 수명보장을 10~20% 향상시킬 수 있다”며 “아울러 리튬인산철 양극의 낮은 전자전도 특성을 개선해 고속충전 에도 효과가 있다”고 설명했다.
최 교수는 “양산 수준의 전극 로딩조건에서 상온에서 고온까지 온도 내구성이 뛰어난 전극 계면층을 형성하는 전해질 첨가제 기술로 전기차 배터리 등 활용이 기대된다”고 말했다.
