▲ 신규 불연 전해액을 적용한 리튬이온 이차전지용 흑연 음극의 SEI(계면) 안정화 효과 / 신규 PC계 불연 전해액을 흑연 음극에 적용하여 균일하고, 얇고, 안정하고, 낮은 계면저항을 가지는 SEI를 흑연 음극 표면에 구축하여 기존 충전속도보다 4배 이상 빠른 속도에서 흑연 음극의 이론 용량과 안정한 충방전 사이클 성능 획득하였으며, 리튬이온 이차전지의 충전속도와 안전성 향상이 기대된다. 반면, EC계 상용 가연 전해액 사용시 비균일하고 불안정한 SEI 형성과 흑연 음극구조 퇴화로 인해 충방전 사이클 성능이 급속히 퇴화한다. / 출처 : 충남대학교, 송승완 교수  © 특허뉴스

한국연구재단은 충남대학교 응용화학공학과 송승완 교수 연구팀이 리튬이온 이차전지의 충전속도를 4배 이상 향상시킬 수 있는 고안전성 계면제어 기술을 개발했다고 10일 밝혔다.

이 기술은 배터리의 화재위험은 줄이고 충전속도를 높이기 위한 기초연구성과로 국제학술지를 통해 소개됐다.

전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 시장이 확대되는 가운데 리튬이온전지의 에너지밀도와 충전속도를 높여 주행거리와 저장용량을 향상시키려는 노력이 활발하다.

특히, 리튬이온전지의 수명과 안전성을 좌우하는 전극 표면보호층(SEI)의 안정성을 높이려는 연구가 활발하다. 전해액 소재 조절을 통해 전극 표면보호층을 안정화시키거나 불연성 또는 난연성 전해액을 개발함으로써 화재위험을 줄이려는 것이다.

참고로, 표면보호층(SEI, Solid Electrolyte Interphase)은 리튬이차전지 작동시 전해액 분해로 인해 전극 표면에 형성되는 보호층으로 음극과 양극 표면을 전기화학적으로 안정화한다. 표면보호층 형성과 안정성은 전해액 조성에 의해 제어될 수 있으며 리튬이온 이차전지의 장수명과 안전성 확보를 위한 필수요소이다.

하지만 리튬이온전지에 통상 사용되는 흑연음극의 경우 기존 전해액하에서 표면보호층이 비균일하거나 두껍게 형성될 수 있고, 표면보호층 자체가 저항으로 작용하여 충전속도와 용량을 낮추는 한계가 있었다.

결국 흑연음극의 이론용량(372 mAhg-1)에 도달하려면 20시간 이상 충전해야 했다.

이에 연구팀은 새로운 유기계 불연성 전해액을 이용해 얇고 안정적인 낮은 계면저항을 갖는 표면보호층을 흑연음극 표면에 구축, 기존보다 4배 이상 빠르게 흑연음극을 충전하는 데 성공했다.

빠른 충방전 속도로 흑연음극의 이론용량급인 370 mAhg-1을 획득하였고 안정한 충방전 사이클 성능을 획득했다.

기존에도 난연성 전해액 첨가제가 사용되나 흑연 음극과의 계면호환성이 낮은 경향 때문에 안전성은 향상되나 성능은 약화되는 문제가 있었다.

반면 송승완 교수 연구팀은 흑연 음극과의 계면호환성이 좋은 불연성 전해액을 개발해 얇고, 안정하고, 낮은 계면저항을 가지는 표면보호층을 흑연 음극 표면에 구축하여 리튬이온 이차전의 안전성과 성능을 모두 높이고자 했다.

이번 연구의 성과는 에너지화학분야 ‘캠서스캠(ChemSusChem)’온라인에 8월 2일 게재되었다.