경북대 연구팀, 차세대 배터리 열화 억제 기술 규명

차세대 배터리 성능 저하 원인 규명 및 억제 기술 개발
전해질 첨가제 조합으로 단결정 양극 열화 억제 효과 입증
'화학 공학 저널' 온라인판에 연구 성과 발표

배터리 수명의 비밀은 전해질 속 작은 첨가제에서 찾아졌다. 경북대와 광운대 연구팀은 전극을 지켜내는 새로운 해법을 제시했다.

경북대는 스마트모빌리티공학과 오지민 교수팀이 광운대 김민경 교수팀과 공동으로 차세대 배터리의 성능 저하 원인인 열화 현상을 규명하고 이를 억제할 수 있는 새로운 전해질 최적화 기술을 제시했다고 2일 밝혔다.

차세대 리튬이온 배터리의 핵심 소재로 꼽히는 '단결정-니켈 층상 구조 산화물'은 높은 안정성과 에너지 밀도로 전기차·드론·로봇용 배터리에 활용 가능성이 크다. 하지만 사용 과정에서 전극 계면이 불안정해지고 입자가 부서져 성능이 빠르게 떨어지는 열화 문제가 있었다.

공동연구팀은 전해질 첨가제의 조성을 최적화하는 방식으로 단결정 양극의 열화 문제를 해결할 수 있음을 확인했다. 연구 결과, 전해질에 인산리튬(LiPO2F2)과 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC)를 함께 투입하면 충·방전 초기 전극 표면에 불화리튬(LiF) 보호막이 형성돼 전극 열화를 효과적으로 억제하는 것으로 나타났다.

반면 첨가제가 없는 전해질에선 전극 표면에 두껍고 갈라진 층이 생겨 반응이 불균일하게 진행됐으며, 이로 인해 전극 내부 균열과 구조 붕괴가 나타나면서 배터리 용량이 빠르게 줄어드는 현상이 확인됐다.

오지민 경북대 스마트모빌리티공학과 교수는 "이번 연구는 단결정 양극에서 발생하는 열화 메커니즘을 규명하고, 이를 전해질 최적화로 억제할 수 있음을 실험적으로 입증했다는 데 의미가 있다. 전기차와 드론, 로봇 등 고에너지밀도 배터리가 필요한 분야에서 장기 수명 확보에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.

이번 연구는 경북대의 우수신임교원 정착연구비, 한국연구재단 글로벌기초연구실지원사업, 산업통상자원부 주력산업IT융합사업 지원으로 수행됐다.

제1저자는 광운대 최수연 석사과정생이며, 교신저자는 경북대 오지민 교수와 광운대 김민경 교수다. 연구 결과는 공학 및 환경 분야 최고 수준 국제학술지인 '화학 공학 저널(Chemical Engineering Journal)' 9월 18일자 온라인판에 게재됐다.