KAIST, 4.4V 높은 충전 전압조건에서 75.0% 높은 방전용량 유지
KAIST는 생명화학공학과 최남순 교수팀이 UNIST 화학과 홍성유 교수팀, 서울대 화학생물공학부 이규태 교수팀, 고려대 화공생명공학과 곽상규 교수팀, 경상국립대 나노·신소재공학부 고분자공학전공 이태경 교수와 공동연구를 통해 4.4V의 높은 충전 전압에서 리튬 금속전지의 효율과 에너지를 유지하는 세계 최고 수준의 전해액 조성 기술을 개발했다.
연구 배경
최근 지속적인 기후 위기로 인해 전기자동차와 에너지저장 장치에 관한 관심이 급증함에 따라 고용량, 고에너지밀도의 이차전지 개발의 중요도가 커지고 있다.
이에 따라, 고용량을 낼 수 있는 전지 소재에 대한 수요가 증가하고 있으며 음극재로는 종래의 리튬이온전지의 음극 소재인 흑연 대비 약 10배의 용량의 발현할 수 있으며 낮은 작동 전압과 밀도를 가지는 리튬금속이 주목받고 있으며 양극재로는 고전압에서 높은 용량을 발현할 수 있는 니켈리치 소재가 주목받고 있다.
연구 내용
연구를 통해 개발된 전해액 조성은 리튬금속전지의 4.4 V의 고전압 구동에도 불구하고 상온 (25도) 200회 충·방전 후 기존 용량의 75.0%의 높은 용량 유지율을 보여줌을 확인하였다. 또한, 새로운 전해액 설계 기술을 통해 고전압에서 가스 발생 없이 우수한 특성을 보임을 확인하였으며 고속 충전 특성 역시도 향상됨을 확인하였다.
전해액 조성 별 Li-Li 셀 사이클에 따른 실시간 광학 현미경 분석
기대 효과
연구에서 개발된 새로운 용매 구조와 전체적인 전해액 설계 전략은 기존에 개발된 전해액들의 고전압 구동에서의 난제들을 획기적으로 해결하였으며 이온성 첨가제 도입으로 인한 안정한 전극-전해질 계면 형성을 통해 전지의 성능 열화 문제를 획기적으로 해결하였다.
이는 향후 고에너지밀도 리튬금속전지 시스템에서의 전해액 개발 전략의 방향을 제안하는 중요한 기술로 판단된다. 또한, 본 연구는 박막 리튬금속 음극과 고용량 양극 소재를 적용한 전지의 수명 특성을 획기적으로 향상시켰기 때문에 향후 고성능 전극 소재 디자인을 위한 요소 기술에 이바지할 것으로 기대된다.
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