(사진=LG에너지솔루션)
극저온에서도 잘 방전되지 않고 폭발 위험성도 낮춘 리튬이온전지의 전해질 기술을 국내 연구진이 개발했다.
LG에너지솔루션과 포항공과대학교, 성균관대학교는 영하 20°C에서도 100회 충·방전 후 약 87%의 용량을 유지하고, 열폭주를 약 90% 이상 억제할 수 있게 해주는 리튬이온전지 전해질 기술 개발에 성공했다고 20일 밝혔다.
연구진은 '알릴 트리메틸 포스포늄(Allyl Trimethyl Phosphonium, APT)'계열 이온성 화합물을 활용한 전해질 기술을 개발했다. 이온성 화합물은 플러스와 마이너스 전하를 띠는 이온들이 자석처럼 강하게 결합해 만들어진 물질이다. 이 물질은 전해질 내에서 이온을 이동시켜 전류를 흐르게 하는 역할을 한다. 이 중 APT계열 이온성 화합물은 단순 첨가제의 기능을 넘어, 전해질의 동결점을 낮추고 계면 반응을 조절하는 다기능성 소재로 주목받고 있다.
연구팀은 이 물질을 전해질 내에 첨가해 리튬이온전지의 성능저하 주요 원인인 '저온 이온 이동 저하'와 '계면 불안정성'을 동시에 개선하는 데 성공했다. 실제 이 기술이 적용된 배터리 셀은 영하 20°C에서 100회 충·방전 후에도 약 87%에 달하는 용량 유지율을 보였다. 보통 배터리 셀의 경우 동일한 조건에서 약 10% 안팎의 용량을 유지하는 것이 일반적이다. 이에 따라 극저온 환경에서 사용해야 하는 특수목적 배터리나 고용량 실리콘 음극을 적용한 차세대 배터리 등에서 활용될 것으로 기대되고 있다.
또 연구팀은 후속 연구를 통해 동일한 APT 계열 이온성 화합물을 고용량 실리콘 음극 전지에 적용해 열폭주를 약 90% 이상 억제하는 등 전지의 열안전성도 획기적으로 향상시켰다. 이는 배터리 셀 발화시 발생하는 발열량을 기존 대비 90% 낮춰 열 전이 속도를 크게 줄일 수 있을 것으로 보인다.
LG에너지솔루션 관계자는 "이번 연구는 하나의 이온성 화합물 플랫폼으로 성능과 안전성이라는 상충된 요구를 동시에 충족시킨 혁신적 사례"라며 "APT 기반 전해질 기술은 전기차뿐 아니라 항공·우주, 극저온 환경용 배터리 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.
포스텍 이기라 교수 연구팀은 "산업 현장의 기술 과제를 학문적으로 재해석해 실질적인 솔루션으로 발전 시킨 사례"라고 평가했으며, 성균관대 박호석 교수 연구팀은 "APT 이온성 화합물의 분자 설계 자유도를 활용하면 향후 전고체전지와 리튬금속전지로의 확장도 가능하다"고 말했다.
이 연구결과는 에너지분야 학술지 'Advanced Energy Materials'와 'Journal of Materials Chemistry A'에 게재됐다고 밝혔다.
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