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리튬이온전지의 화재 위험성을 줄이고 저장용량과 충전속도를 높이기 위한 연구가 활발함.

10일 한국연구재단은 충남대학교 응용화학 공학과 송승완 교수 연구팀이 불에 타지 않는 전해액을 사용하면서 충전속도도 상용제품에 비해 4배 이상 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다고 발표했음.

연구팀은 새로운 불연성 전해액을 개발하고, 이를 이용해 흑연음극 표면에 안정적인 표면보호층을 형성할 수 있는 계면제어기술을 개발함으로써 배터리의 화재위험은 줄이고 충전속도를 높이는 데 성공했음.

최근 리튬이온 배터리의 고용량화를 위해 니켈 함량을 높인 하이니켈 양극재 개발이 활발함. 고용량 양극재와의 균형을 맞추기 위해서는 음극재의 고용량화도 필요함. 또한 배터리를 안전하게 오래 쓰기 위해서는 전해액 개발을 통해 흑연 음극과 산화물 양극 양쪽 표면에 안정한 표면보호층 구축이 필요함.

배터리 작동시 전해액이 분해되면서 전극 표면에 형성되는 보호층은 음극과 양극 표면을 전기화학적으로 안정화하는 역할을 함. 표면보호층 형성과 안정성은 전해액 조성에 의해 제어될 수 있으며 리튬이온전지의 장수명과 안전성 확보를 위한 필수요소임.

상용 리튬이온전지에는 흑연 음극과 EC(에틸렌 카보네이트)계 전해액이 사용됨. EC계 전해액은 불이 잘 붙는 가연성 물질이며, 흑연 음극 표면에 형성된 표면보호층이 균일하지 않고 높은 저항으로 작용해 충전속도와 용량을 낮추는 문제를 갖고 있음. 따라서 흑연음극의 이론용량인 372 mAh/g 에 도달하려면 20시간 이상 충전해야 했음.

송승완 교수 연구팀은 불에 타지 않는 PC(프로필렌 카보네이트)계 전해액을 개발했음. 또한 계면제어기술을 통해 얇고 안정적이며 낮은 계면저항을 갖는 표면보호층을 흑연음극 표면에 구축, 기존보다 4배 이상 빠르게 충전하는 데 성공했음.

리튬이온전지의 화재 위험성을 줄이기 위해 기존에 사용된 난연성 전해액 첨가제는 흑연 음극과의 계면호환성이 낮은 경향 때문에 안전성은 향상되지만 성능은 약화되는 문제가 있었음. 이번 연구는 흑연 음극과의 계면호환성이 좋은 불연성 전해액을 개발해 리튬이온전지의 안전성과 성능을 모두 높이고자 한 것임.

송승완 교수는 "배터리 화재위험이 없는 불연 전해액 적용과 표면보호층 제어 및 안정화를 통해 흑연 음극의 용량과 리튬이온 이차전지의 에너지밀도 증가 뿐 아니라 이차전지 충전속도와 안전성을 동시에 향상시킨 최초의 사례"라고 밝혔음.

본 연구 성과는 ‘ChemSusChem’ (“Robust solid electrolyte interphase (SEI) enables near-theoretical capacity of graphite battery anode at 0.2C in propylene carbonate-based electrolyte”) 지에 게재되었으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업의 지원으로 수행되었음.