KAIST “전기차 리튬배터리 충전 15분이면 된다”

최남순·홍승범 교수팀, 혁신적 배터리 전해질 기술 개발
초고속 충전에 300회 충·방전 후에도 94.2% 성능 유지
리튬이온 이동 최적화 전략, 드론·우주항공 등 활용 기대

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국내 연구진이 충전속도가 상대적으로 느렸던 전기차 리튬배터리의 충전시간을 획기적으로 단축시키는데 성공했다.

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 최남순 교수팀이 신소재공학과 홍승범 교수팀과 협업해 새로운 전해질 용매 ‘아이소부티로니트릴(isoBN)’을 개발, 배터리 내 리튬 이온이동을 극대화시켜 상온에서 전기차 배터리의 충전시간을 15분 이내로 단축했다고 17일 밝혔다.

이번에 연구팀은 전해질 내 용매화 구조를 조절하는 전략을 개발했다. 이를 통해 배터리의 핵심요소인 음극 계면층(SEI)의 형성을 최적화해 리튬이온 이동을 원활하게 하고 고속충전 시 발생하는 리튬전착이나 배터리 수명단축 등의 문제를 해결, 리튬이온전지의 충전속도를 대폭 향상시켰다.

기존 리튬이온전지의 전해질에 사용되는 에틸렌 카보네이트(EC) 전해액은 높은 점성과 강한 용매화(Solvation), 큰 결정립의 음극 계면층 등으로 고속충전 시 리튬이온이 원활하게 이동하거나 흑연 음극 층상구조로 들어가지 못한다.

또 음극 계면층 위 또는 음극판 상단부(분리막과 접촉하고 있는 부분)에 금속리튬이 전착(Li plating)돼 충·방전이 불가능한 비가역적 리튬으로 배터리 수명단축과 단락에 의한 화재 위험이 높다.

이번에 연구팀은 EC를 완전히 대체할 수 있는 새로운 전해질 용매인 ‘아이소부티로니트릴(isoBN)’을 배터리 전해질에 도입해 리튬이온의 탈용매화 에너지를 감소시키고 음극 계면층의 결정립 크기를 줄여 저온 및 상온에서 고속충전이 가능한 배터리 전해질 기술을 제시했다.

연구진은 리튬 이온과 약한 결합을 하는 isoBN 용매를 도입, EC 전해질 대비 55% 가량 낮은 점성(1.52 cP), 54% 높은 이온전도도(12.80S/㎝)를 갖는 고이온 전달성 전해질 시스템을 개발하는데 성공했다. 검증에서 isoBN 전해질은 리튬이온의 탈용매화 에너지를 크게 감소시켜 15분 고속충전, 300회 사이클에서도 음극 상단부에 비가역성 리튬전착 없이 94.2%의 매우 높은 용량 유지율을 나타냈다.

특히 연구진은 전기화학적 변형 현미경(Electrochemical Strain Microscopy)을 활용해 전해액 조성에 따라 리튬이온의 전도도가 달라지는 것과 음극계면층에서 리튬이온이 이동하는 것을 세계 최초로 영상화했으며 전해질 조성이 음극 계면층 결정립 크기에 큰 영향을 준다는 사실도 밝혀냈다.

KAIST 생명화학공학과 최남순 교수, 송채은·한승희 연구원과 신소재공학과 홍승범 교수, 최영우 연구원이 공동 제 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 지난 11일 게재됐다.(논문명:Geometric Design of Interface Structures and Electrolyte Solvation Chemistry for Fast Charging Lithium-Ion Batteries)

최남순 교수는 “이번 연구로 기존 고리형 카보네이트 전해질 소재(EC)의 한계를 극복하는 니트릴계 전해질 기술(isoBN)을 확보, 충전시간 단축에 따른 전기차 대중화를 앞당기는 데 큰 진전을 이루게 됐다”며 “향후 에너지저장시스템(ESS), 드론, 우주항공산업 등 다양한 분야에서 실용화될 수 있을 것”이라고 말했다.

[대전=뉴시스]