KAIST 생명화학공학과 최남순 교수팀과 신소재공학과 홍승범 교수팀이 공동연구로 전기자동차 배터리 충전시간을 15분 내로 단축할 수 있는 전해질 용매 ‘아이소부티로니트릴(isoBN)’을 개발했다.
기존 리튬이온전지 전해질에 사용되는 에틸렌 카보네이트(EC) 전해액은 높은 점성과 강한 용매화, 큰 결정립으로 구성된 음극 계면층을 만들어 고속충전 시 리튬이온이 원활하게 이동하거나 흑연 음극 층상구조로 들어가지 못한다.
또 음극 계면층 위나 분리막과 접촉하는 음극판 상단부에 금속 리튬이 전착되면 충·방전이 불가능한 비가역적 리튬으로써 배터리 수명 단축과 단락에 의한 화재 위험이 높다.
연구팀은 개발한 isoBN을 배터리 전해질로 활용하면 리튬이온의 탈용매화 에너지를 감소시키고 음극 계면층의 결정립 크기를 줄일 수 있다.
실제 연구팀은 리튬 이온과 약한 결합을 하는 isoBN 용매로 EC 전해질 대비 55% 낮은 점성과 54% 높은 이온전도도를 갖는 고이온 전달성 전해질 시스템을 개발했다.
실험결과 isoBN 전해질은 리튬이온의 탈용매화 에너지를 크게 감소시켜 15분 고속충전 300회 사이클에서 음극 상단부에 비가역성 리튬전착이 없으면서도 94.2%의 매우 높은 용량 유지율을 보였다.
아울러 연구팀은 X선 광전자 분광법과 비행시간 이차이온 질량분석으로 음극 계면층 조성과 리튬이온의 이동경로를 정밀분석하고, 원자간력 현미경으로 전해액 조성에 따라 리튬이온의 전도도가 달라지는 것과 음극 계면층에서 리튬이온이 이동하는 것을 세계 최초로 영상화했다.
이번 연구는 음극 계면층의 결정립 크기와 배열상태, 전해질의 용매화 구조가 리튬이온전지의 고속충전시간에 영향을 주는 핵심 요소임을 확인한 것으로, 높은 결정성으로 저온에서 빠른 리튬이온의 이동이 불가능한 EC 용매를 저결정성-초저점도 isoBN 용매로 대체해 상온은 물론 영하 10℃ 저온환경에서도 빠른 고속충전을 실현할 수 있을 전망이다.
최 교수는 "리튬이온전지의 충전시간을 획기적으로 줄이는 음극 계면층 기술과 전해질 시스템을 제시했다"며 "기존 고리형 카보네이트 전해질 소재의 한계를 극복하는 니트릴계 전해질 기술로 충전시간 단축에 따른 전기차 대중화를 앞당기고, 향후 에너지저장시스템(ESS), 드론, 우주항공 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다"고 말했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 최남순 교수, 송채은·한승희 연구원, 신소재공학과 홍승범 교수, 최영우 연구원이 공동 제1저자로 수행했고, 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 지난 11일자에 게재됐다.
(논문명: Geometric Design of Interface Structures and Electrolyte Solvation Chemistry for Fast Charging Lithium-Ion Batteries, https://doi.org/10.1002/adma.202418773)
