전기차 리튬이온배터리, 15분에 81%까지 "충전"

국내 연구진이 전기차 리튬이온 배터리를 15분에 81%까지 고속 충전하는데 성공했다. KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀과 새로운 전해질 용매 '아이소부티로니트릴(isoBN)'으로 고이온 전달성 전해질 시스템을 개발했다고 17일 밝혔다. 이 소재를 적용할 경우 기존 리튬이온전지 전해질에 사용되는 에틸렌 카보네이트(EC) 전해질 대비 점성과 이온전도도를 크게 개선, 표준용량 기준 대비 15분내, 81%까지 상온 충전 가능하다고 연구진은 설명했다. 기존의 EC 전해액은 높은 점성(3.38 cP), 강한 용매화(Solvation) 특성, 큰 결정립으로 구성된 음극 계면층을 만들어 고속 충전 시 리튬이온이 원활하게 이동하거나 흑연 음극 층상 구조로 들어가지 못하는 단점이 있다. 또한, 음극 계면층 위 또는 음극판 상단부(분리막과 접촉하고 있는 부분)에 금속 리튬이 전착된다. 이러한 전착 리튬은 충·방전이 불가능한 비가역적 리튬으로 배터리 수명 단축과 단락에 의한 화재 발생 위험을 높인다. 연구팀은 이 문제 해결을 위해 아이소부티로니트릴을 배터리 전해질에 새로 도입했다. 실험결과 EC 전해질 대비 55% 낮은 점성(1.52 cP), 54% 높은 이온전도도(12.80 S/cm)를 나타냈다는 것이 송채은 연구생(박사과정)의 부연 설명이다. 이 전해질은 실험에서 리튬이온의 탈용매화 에너지를 크게 감소시켜 15분 고속 충전 300회 사이클에서도 음극 상단부에 비가역성 리튬전착 없이 94.2%의 매우 높은 용량 유지율을 나타냈다. 연구팀은 또 X선 광전자 분광법과 비행시간 이차이온 질량 분석 등으로 음극 계면층의 조성과 리튬이온의 이동 경로 등을 정밀 분석했다. 전기화학적 변형 현미경(ESM)을 이용해 전해액 조성에 따라 리튬이온 전도도가 달라지는 것과 음극계면층에서 리튬이온이 이동하는 것을 세계 최초로 영상화했다. 최남순 교수는 "음극 계면층의 결정립 크기와 배열상태 및 전해질의 용매화 구조가 리튬이온전지 고속 충전 시간에 영향을 주는 핵심 요소라는 것을 확인했다"며 "상온 및 영하 10도에서 고속 충전이 가능해질 것"으로 기대했다. 상용화와 관련해 최 교수는 "검증만 된다면, 원통형 전지 쪽에는 적용이 가능할 것"으로 내다보며 "소재 경제성도 좋아 해볼 만 하다"고 언급했다. 연구는 생명화학공학과 최남순 교수와 신소재공학과 홍승범 교수(이상 교신저자)와 송채은, 한승희, 최영우 연구생(이상 제1저자)이 진행했다. 연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(3월 11일)에 등재됐다.