최남순 KAIST 생명화학공학과 교수 연구팀이 홍승범 신소재공학과 교수 연구팀과 협력하여 개발한 새로운 전해질 용매 '아이소부티로니트릴(isoBN)'은 전기차 배터리 기술의 혁신을 가져올 획기적인 성과입니다.
이 연구는 기존 리튬이온전지 전해질의 한계를 극복하고, 전기차 배터리 충전 시간을 획기적으로 단축시켜 전기차 대중화에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.
기존 리튬이온전지 전해질의 한계:
현재 리튬이온전지에 널리 사용되는 에틸렌 카보네이트(EC) 전해액은 높은 점성과 강한 용매화 특성으로 인해 리튬 이온의 이동을 방해합니다.
특히, 고속 충전 시에는 리튬 이온이 원활하게 이동하지 못하고 음극 표면에 금속 리튬이 전착되는 현상이 발생합니다. 이러한 리튬 전착은 배터리 수명을 단축시키고 화재 위험을 높이는 주요 원인으로 지적되어 왔습니다.
새로운 전해질 용매 'isoBN'의 등장:
최남순 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 EC를 대체할 수 있는 새로운 전해질 용매 isoBN을 개발했습니다.
isoBN은 EC 대비 55% 낮은 점성(1.52 cP)과 54% 높은 이온전도도(12.80 S/cm)를 가져 리튬 이온의 이동 속도를 크게 향상시킵니다.
또한, isoBN은 리튬 이온과의 결합력이 약해 리튬 이온의 탈용매화 에너지를 감소시키고 음극 계면층(SEI)의 결정립 크기를 줄여 리튬 이온의 이동을 더욱 원활하게 합니다.
isoBN 전해질의 우수한 성능:
연구팀은 isoBN 전해질을 적용한 배터리가 15분 만에 충전이 가능하며, 300회 충·방전 후에도 94.2%의 높은 용량 유지율을 보이는 것을 확인했습니다.
이는 기존 리튬이온전지보다 훨씬 빠른 충전 속도와 긴 수명을 제공하는 것으로, 전기차 사용의 편의성을 크게 향상시킬 수 있음을 보여줍니다.
또한, isoBN 전해질은 고속 충전 시 발생하는 리튬 전착 현상을 효과적으로 억제하여 배터리 안전성을 높이는 데에도 기여합니다.
첨단 분석 기술을 활용한 연구:
연구팀은 isoBN 전해질의 우수한 성능을 입증하기 위해 X선 광전자 분광법(XPS), 비행시간 이차이온 질량 분석(ToF-SIMS), 전기화학적 변형 현미경(ESM) 등 첨단 분석 기술을 활용했습니다.
이러한 분석을 통해 음극 계면층의 조성과 리튬 이온 이동 경로를 정밀하게 분석하고 영상화하여, isoBN 전해질이 리튬 이온 이동을 최적화하는 메커니즘을 규명했습니다.
특히, 세계 최초로 전기화학적 변형 현미경을 사용하여 전해액 조성에 따른 리튬 이온 전도도 변화와 리튬 이온 이동을 영상화한 것은 이 연구의 중요한 성과 중 하나입니다.
기대 효과 및 미래 전망:
이번 연구 결과는 전기차 배터리 기술의 혁신적인 발전을 보여주는 것으로, 앞으로 전기차 대중화에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.
또한, 에너지 저장 시스템(ESS), 드론, 우주 항공 산업 등 다양한 분야에서 리튬이온전지의 활용도를 높일 수 있을 것으로 전망됩니다.
최남순 교수는 "이번 연구는 기존 고리형 카보네이트 전해질 소재(EC)의 한계를 극복하는 니트릴계 전해질 기술(isoBN)로 충전 시간 단축에 따른 전기차 대중화를 앞당기는 데 큰 진전을 이루며 향후 에너지 저장 시스템(ESS), 드론, 우주 항공 산업 등 다양한 분야에서 리튬이온전지의 고속 충전 기술이 실용화될 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔습니다.
연구 결과의 의의:
이번 연구는 단순히 배터리 충전 시간을 단축시키는 것을 넘어, 리튬이온전지 기술의 근본적인 문제점을 해결하고 안전성을 높이는 데 기여했다는 점에서 큰 의미를 갖습니다.
또한, 첨단 분석 기술을 활용하여 리튬 이온 이동 메커니즘을 규명하고 영상화한 것은 앞으로 배터리 연구 개발에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대됩니다.
추가 정보:
- 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 3월 11일자에 게재되었습니다.
- 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었습니다.