우리 학교 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 리튬 금속 전지의 수명을 크게 향상시킬 수 있는 전해액을 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지 ‘에너지&인바이론멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 지난달 13일 게재되었다.

리튬 금속 전지의 한계

전기차 시대의 가속화에 따라 높은 에너지밀도를 가져 충전 1회 당 긴 주행거리를 가능하게 하는 전지 시스템에 대한 개발이 필수적이다. 이에 흑연보다 10배 이상 높은 용량을 가지는 리튬 금속 음극과 고전압에서 높은 용량을 갖는 리튬 코발트 산화물 양극이 고에너지 이차전지 소재로 주목받고 있다. 또한, 전기차 배터리 열관리 시스템을 적용하더라도 전 세계 평균 겨울 기온을 고려한 -20~60도의 넓은 온도 범위에서 충전과 방전을 할 수 있는 전지 시스템 개발도 필수적이다. 

리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 전해질 또는 전해액으로 구성되어 있으며, 전해액은 리튬 이온이 이동하는 매개체 역할을 한다. 전해액의 경우, 구성 성분의 종류에 따라 저온에서 전해액이 얼거나 고온에서 전해액 내 용매가 기화되는 문제가 있다. 
기존 연구들의 경우, 넓은 온도 범위가 아닌 저온 또는 고온에서만 작동할 수 있는 전해액에 대한 결과를 보고하였다. 또한, 전해액 자체 특성을 개선하는 데에 초점이 맞춰져 있어 전해액 첨가제를 사용한 전극-전해질 계면 안정화 연구와의 시너지 효과는 거의 다뤄지지 않았다

배터리 수명은 완전 충전-완전 방전 조건에서 첫 사이클의 방전 용량의 80%가 나오는 횟수로 정한다. 개발된 전해액 기술은 상온(25도)에서 200회 충전과 방전 후에 첫 사이클 방전 용량 대비 85.4%의 우수한 수명 특성을 보였다. 고온(45도)에서 100회 충전과 방전 후 91.5%, 저온(영하 20도)에서 300회 충전과 방전 후 72.1%로 높은 용량 유지율을 보였다. 특히 저온 환경에서 기존 상용 기술 대비 약 20% 더 높은 용량 유지율을 보였다.

이차전지에서의 무한한 응용 가능성

전 세계적인 기후 위기로 인해 전기 자동차나 에너지저장시스템에 대한 관심이 높아지고 있고, 이에 따라 고효율, 고용량 전지에 대한 수요가 증가하고 있다. 연구팀에서 개발한 전해액을 전기차 배터리 전해액으로 응용할 수 있으며, 넓은 온도 범위에서 구동이 가능해 향후 극지방 탐사, 군용, 우주용 등 다양한 이차전지 산업의 시발점이 될 수 있을 것이라 기대한다. 

최 교수는 “본 연구에서 개발 전해액 조성으로 더 다양한 양극 소재에 적용을 시도해보고 있다”고 밝혔다. “개발 전해액 조성에 사용된 1,2-dimethoxyethane의 경우 리튬 금속 음극에 비교적 안정적이며 낮은 어는점을 가져 저온 구동에는 유리할 수 있지만 끓는점이 낮아 고온 조건에서 부적합한 용매이며 쉽게 산화 분해하여 고전압 구동이 어렵다는 단점이 있다”며 “고에너지 이차전지 개발을 위해서는 높은 충전 전압에 안정한 전해액 소재 개발이 필요한데 4.5 V 이상의 고전압에서도 안정적이면서 더 넓은 온도범위에서 구동 가능한 전해액 조성에 대한 후속 연구를 진행해 볼 수 있을 것”이라고 말했다.

또한, “다른 사람이 가지 않은 길을 가는 것은 실패 확률이 매우 높고 연구에 대한 열정을 잃기 쉽다”며 “세상에 없는 새로운 물질 또는 새로운 현상을 제안하고 이를 타 연구자들로부터 인정받기 위해서는 한 단계 높은 수준의 연구결과와 정확한 해석 능력이 필요하다”고 말했다. “이번 연구가 바로 이 두 가지 모두에 해당이 되어 많은 시간과 노력이 필요하였다”며 “연구원들이 지치지 않고 큰 믿음과 인내심으로 연구를 지속한 점이 연구가 성공할 수 있는 기초가 된 것 같다”고 전했다.