켄텍, 차세대 배터리 고전압 안정성 높였다

그림1. 분자 대칭성 제어에 따른 LiPF6 용해도 변화

한국에너지공과대학교(켄텍)가 배터리의 에너지밀도를 높일 수 있는 차세대 리튬금속전지의 상용화를 가로막아 온 전해질의 고전압 안정성 문제를 개선할 수 있는 새로운 설계 원리를 제시해 주목받고 있다.

켄텍은 이화여대, 미국 캘리포니아대학교 로스앤젤레스(UCLA)와 함께 고전압 리튬금속전지의 핵심 소재인 전해질의 용해도와 전극 계면 반응을 분자 수준에서 제어하는 설계 원리를 제시했다고 29일 밝혔다.

리튬금속전지는 기존 흑연 음극 대신 이론용량이 높은 리튬 금속을 음극으로 사용해 배터리의 에너지밀도를 크게 높일 수 있는 기술이다. 고전압 양극과 결합하면 에너지밀도를 더욱 높일 수 있지만, 음극과 양극 양쪽에서 동시에 안정적으로 작동하는 전해질을 설계해야 한다는 어려움이 있다.

에테르계 전해질은 리튬 금속과의 반응성이 상대적으로 낮고 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있어 차세대 리튬금속전지에 적합한 소재로 꼽힌다. 다만 고전압에서는 안정성이 낮다는 한계가 있었다.

반면 상용 리튬이온전지에 널리 쓰이는 리튬염인 리튬헥사플루오로포스페이트는 높은 전압에서 알루미늄 집전체의 부식을 억제할 수 있지만, 대표적인 에테르계 용매인 글라임에는 잘 녹지 않아 리튬금속전지에 적용하기 어려웠다.

연구진은 앞선 연구에서 이 같은 낮은 용해도의 원인이 리튬염이 이온으로 잘 분리되지 않기 때문이 아니라 용해된 리튬 이온과 글라임 분자, 음이온이 다시 규칙적인 결정을 형성하며 침전하기 때문이라는 사실을 규명했다.

이번 연구에서는 글라임 분자의 구조를 비대칭적으로 설계해 리튬염이 다시 결정으로 굳어지는 현상을 억제했다. 이를 통해 기존 글라임계 용매에서 0.1M 미만이었던 용해도를 최대 2.0M까지 높였다. 기존보다 20배 이상 향상된 수준이다.

개발된 전해질은 리튬 금속에 적합한 에테르계 전해질의 장점과 고전압 안정성을 함께 구현했다.

기존 리튬비스(플루오로설포닐)이미드(LiFSI) 기반 에테르 전해질에서 문제가 됐던 고전압 알루미늄 집전체 부식을 효과적으로 억제했으며, 리튬 금속 음극과 NCM811 양극을 결합한 전지를 최대 4.8V의 충전 전압에서도 안정적으로 구동했다.

NCM811은 니켈·코발트·망간을 8대 1대 1 비율로 사용하는 고니켈계 양극재다. 에너지밀도가 높아 전기차용 배터리의 대표적인 고용량 양극재로 활용되고 있다.

김민호 켄텍 교수는 “이번 연구의 핵심은 에테르계 전해질에는 적용하기 어려웠던 LiPF?를 실제 전지에 사용할 수 있는 수준으로 녹이는 기술을 구현했다는 것”이라며 “리튬 금속의 안정성과 고전압 구동 성능을 동시에 확보할 수 있어 고에너지밀도 리튬금속전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 김민호 켄텍 교수와 박하영 이화여대 교수, 유장 리 UCLA 교수 연구팀을 중심으로 수행됐다. 연구 결과는 에너지·환경 분야 국제학술지 ‘에너지 앤 인바이런멘털 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 지난 8월 28일 온라인 게재됐다.