전기차 배터리 수명연장 해법 찾았다…400회 충전후에도 성능 80%

[이데일리 장영은 기자] 미량의 첨가제로 대용량 전기차 배터리 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있는 연구가 나왔다. 400회의 충·방전에도 배터리 초기 용량의 80% 이상을 유지할 수 있는 성능이 확인됐다.

첨가제별 배터리 충방전시 용량 변화 비교. (자료= UNIST)

14일 울산과학기술원(UNIST)에 따르면 에너지화학공학과의 최남순·곽상규 교수와 화학과 홍성유 교수팀은 대용량 리튬이온배터리 개발의 난제로 꼽혀 온 전극 소재의 불안정성을 해결할 수 있는 배터리 전해액 첨가제를 개발했다.

새로 개발된 첨가제는 고용량 배터리 소재인 실리콘과 하이니켈의 내구성을 보완해주고 안정성을 높여 배터리 성능을 유지해주는 것을 도와준다.

전기차를 비롯한 대용량 배터리 수요가 늘면서 상용 리튬이온배터리의 전극을 고용량 소재인 실리콘과 하이니켈로 대체하려는 연구가 활발하다. 다만, 실리콘 음극은 충·방전시 부피가 3배 이상 늘었다 주는 것이 반복돼 기계적 내구성 약하며, 하이니켈 양극 또한 화학적으로 불안정한 문제가 있다.

UNIST 연구진이 개발한 첨가제는 실리콘 혼합 음극 표면에 고무막 같이 유연하고 리튬이온 투과성(이동성)이 뛰어난 보호막을 만든다. 실리콘의 반복적 부피변화에 의한 기계적 과부하를 줄이고 고속충전이 가능한 이유다.

또 첨가제는 전해액 속 불산(HF)을 제거해 하이니켈 양극 내부 금속(니켈)이 밖으로 유출되는 것을 막는다. 양극 내부 금속의 양은 배터리 용량을 결정한다.

실제로 이 첨가제를 하이니켈 양극과 실리콘 혼합 음극으로 구성된 대용량 배터리에 투입했을 때 400회 충·방전 후에도 처음 용량을 81.5%를 유지했다. 이는 상용 첨가제인 플로로에틸렌 카보네이트(FEC)나 바닐렌 카보네이트(VC)보다 10~30% 향상된 성능이다.

이번 연구의 공동 제1저자인 박세원 UNIST 에너지화학공학과 박사 과정 연구원은 “전지를 20분 내에 고속 충전하는 실험에서도 100회 동작 후에 1.9%의 용량 감소만 나타났다”고 설명했다.

최남순 교수는 “이번 성과는 기존 첨가제(VC)의 단점을 보완할 수 있는 물질 구조 설계 및 실험, 시뮬레이션, 이 물질 구조를 실제로 만들기 위한 합성 방법 연구의 협업 결과”라며 “대용량 리튬이온배터리용 전해액 첨가제 개발의 새로운 방향을 제시했다”고 강조했다.

새로 개발한 첨가제의 전극 보호 효과 모식도. (자료= UNIST)

(왼쪽 아래줄부터 반시계 방향)곽상규 교수, 최남순 교수, 홍성유 교수, 박세원 연구원, 정서영 연구원. (사진= UNIST)