UNIST 에너지 및 화학공학부 연구팀.[UNIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 전기차에 사용되는 배터리의 수명과 성능 향상이 기대되는 원천기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 최남순-곽상규 교수팀은 불소 원자를 포함하는 용매를 이용한 ‘이온 농축형 전해액’을 개발했다고 18일 밝혔다. 이 전해액은 리튬 금속 전지의 음극과 양극에 보호막을 고르게 형성해, 전체 배터리의 수명과 출력을 높였다.

리튬 금속 전지나 리튬 이온 전지의 충·방전은 ‘리튬 이온’이 양극과 음극을 오가며 일어난다. 이때 리튬 이온이 지나는 통로가 전해액인데, 전해액 자체가 전극 표면에서 반응해 보호막을 만들기도 한다. 그런데 이 보호막이 불균일하게 형성되면 문제가 생긴다. 음극에 리튬 금속이 뾰족하게 솟아나서 단락이 나타나거나, 양극을 변형해 전지 성능을 떨어뜨리는 것이다. 따라서 이상적인 형태의 보호막을 만드는 게 중요하고, 이를 위해 전해액 성분을 효과적으로 조절해야 한다.

연구팀은 불소를 함유한 새로운 조성의 전해액을 개발, 음극과 양극을 동시에 보호하고 전지의 출력도 높였다. 불소는 리튬과 반응해 리튬 전극 표면에 보호막을 형성하고, 보호막이 부분적으로 파괴됐을 때 수선하는 역할도 했다.

또 이론 계산을 통해 불소를 포함한 용매의 반응 경향성과 반응 메커니즘을 규명했다. 특히 기존보다 환원 반응이 잘 일어나는 ‘불소화 에테르 용매’가 불소를 쉽게 내어주는 성질이 있어 음극에 보호막 형성을 촉진했다는 사실을 밝혀냈다.

최남순 교수는 “이번에 규명된 전극 계면 안정화 메커니즘은 고에너지 밀도 전지 개발을 위한 전해액 시스템 설계에 활용될 것”이라며 “리튬 금속 전지와 동일한 양극을 사용하는 리튬 이온 전지를 비롯해 차세대 고에너지 밀도 전지의 전기화학적 성능을 높이는 데 많은 도움이 될 것”이라고 강조했다.

이번 연구성과는 에너지분야 국제학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 11월 20일자에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com