[기계신문] 전기자동차를 비롯해 대규모 에너지 저장장치의 수요가 급격하게 늘어나고 있다. 이런 수요를 충족하려면 에너지 밀도가 높고 수명이 긴 이차전지를 개발해야 한다. 이를 위해 리튬 이온 배터리의 전극 물질뿐 아니라 맞춤형 전해질 시스템을 개발해 둘을 결합하면서 성능을 높이는 연구가 필요하다.

최근 UNIST 에너지 및 화학공학부 최남순·송현곤·곽상규 교수팀이 리튬 이온 배터리의 양극에서 만들어지는 활성산소와 배터리 내 부반응을 일으키는 물을 제거하는 ‘전해액 첨가제(MA-C60)’를 개발했다.

이 첨가제는 체내 항산화 효소처럼 배터리 내에 발생한 활성산소와 반응해 배터리 노화를 방지한다. 이 물질을 고용량 리튬 이온 배터리용 전해액 시스템으로 활용하면 더 오래 안전하게 사용하는 배터리를 만들 수 있다.

전기자동차를 비롯해 대용량 에너지 저장장치의 수요가 급증하면서 리튬 이온 배터리의 용량을 키우기 위한 시도가 많다. 리튬이 많이 함유된 물질인 ‘리튬 리치(Lithum-rich) 양극’을 사용하는 게 대표적인데 풀어야 할 문제가 있다.

리튬 리치 양극을 적용한 배터리의 충·방전 반응 중에 활성산소가 발생한다는 점이다. 활성산소는 전해액을 분해하고, 일산화탄소나 이산화탄소 같은 가스를 발생시켜 배터리의 수명과 안정성을 떨어트린다.

▲ 기존 전해액 사용 시 리튬리치 양극에서 발생되는 문제점 (왼쪽 그림) 및 MA-C60의 활성산소, 물 제거 및 보호막 형성기능

최남순 교수팀은 기존 전해액에 ‘말론산이 결합된 풀러렌(malonic acid-decorated fullerene, MA-C60)’ 첨가제를 넣어 이 문제를 해결했다. MA-C60는 탄소 원자가 축구공처럼 5각형과 6각형 구조로 이어진 풀러렌(C60)에 말론산이 결합한 물질이다.

이 물질을 전해액 속에 소량(1%) 첨가하면 전해질 용매 대신 활성산소와 반응해 전해액이 분해되는 것을 막는다. 게다가 전지 작동 초기에는 첨가제가 용매와 반응해 보호막을 만들기 때문에 양극 표면을 보호하는 역할도 한다.

송현곤 교수는 “우리 몸도 활성산소를 없애기 위해 다른 효소들이 활성산소와 반응하는 ‘항산화작용’을 한다”며 “배터리 내 활성산소도 다른 물질과 반응해 제거할 수 있도록 새로운 물질(MA-C60)을 첨가한 전해질을 개발했다”고 밝혔다.

▲ MA-C60의 양극 계면 보호막 형성 메커니즘

곽상규 교수팀은 양극 표면에 보호막이 생성되는 원리를 계산화학을 이용해 분석했다. 곽 교수는 “항산화 첨가제의 말론산 작용기가 전해질의 고리 형태 분자구조를 열어주고, 절단된 구조 끝에서 또 다른 전해질 분자가 달라붙어 양극을 보호하는 물질(올리고머)이 만들어진다”고 설명했다.

첨가제는 배터리 내의 수분도 효과적으로 제거했다. 전지 작동 중에 만들어지는 수분은 전해질 염(LiPF6)를 분해해 배터리의 수명과 성능을 단축하는 산성화합물(HF)과 전극피막(LiF)을 만든다.

산성화합물을 전극 표면을 공격해 전지 용량을 결정하는 리튬, 니켈 등 전이금속을 밖으로 흘러나오게 하고, 전극 표면에 생기는 피막은 전지가 과열되게 한다.

최남순 교수는 “이번에 개발된 전해액은 전지에 부반응을 일으키는 활성산소와 물을 제거할 뿐만 아니라, 양극 표면에 보호막도 형성하는 ‘다기능성 전해질’”이라며 “리튬 리치 양극뿐 아니라 다른 고용량 양극 소재에도 적용해 전기차 배터리와 같은 고용량 전지의 성능과 수명을 동시에 개선할 수 있을 것”이라고 전망했다.

▲ 수분으로 인한 전극-전해액 계면에서의 열화 메커니즘 및 MA-C60의 수분 흡착 메커니즘

이차전지의 고에너지 밀도화를 실현하기 위해 고전압 및 고용량 양극 (Li-rich 및 Ni-rich 양극)이 도입됨에 따라, 고전압 및 고용량 양극과 전해질 간의 계면특성이 전지의 전기화학적 성능과 안정성을 결정하는 매우 중요한 요소로 작용하고 있다.

피막(LiF) 제어용 첨가제 기술과 반응성 화합물의 비활성화를 위한 전해질 첨가제 기술이 접목된 MA-C60 첨가제는 고전압 및 고용량 양극이 적용된 고에너지 밀도 이차전지의 전기화학 특성을 향상시키고, 향후 고전압 및 고용량 양극 소재 개발과 고에너지 밀도를 갖는 리튬 이온 배터리의 상용화를 실현하는 데 기여할 전망이다.

또한, 인체의 항산화 과정에 도움이 되는 다양한 효소 모방 촉매들로부터 영감을 받아 고에너지 밀도를 갖는 고성능 리튬 이온 전지에 적용 가능한 전해액 첨가제 설계 및 개발에 기여할 것으로 기대된다.

한편, 삼성전자가 시행하는 삼성미래기술육성사업의 지원으로 이뤄진 이번 연구는 재료 분야 국제저널 ‘어드벤스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’에 4월 6일자로 공개됐으며, 표지논문으로 선정돼 출판을 앞두고 있다.

기계신문, 기계산업 뉴스채널

관련기사