KAIST “新전해질 용매로 전기차 고속충전 ‘15분’ 완료”

KAIST가 전기차 리튬배터리의 전해질 혁신기술로 충전 시간을 단축하는 데 성공했다.

KAIST는 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀과 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 새로운 전해질 용매 ‘아이소부티로니트릴(isoBN)’을 개발해 배터리 내 리튬 이온 이동을 극대화하는 전략으로, 전기차 배터리를 상온에서 15분 이내로 충전할 수 있는 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

(왼쪽부터) 송채은 박사과정, 최영우 석박사통합과정, 최남순 교수, 한승희 박사과정. KAIST 제공

우선 공동연구팀은 전해질에서 용매화 구조를 조절하는 전략을 개발했다. 이는 배터리의 핵심 요소인 음극 계면층(Solid Electrolyte Interphase·SEI)의 형성을 최적화해 리튬이온 이동을 원활하게 하고, 고속 충전하는 과정에서 발생하는 리튬 전착과 배터리 수명 단축 등 문제를 해결하는 방식으로 리튬이온전지 충전 속도를 향상하는 기반을 마련했다.

기존 리튬이온전지 전해질에 사용되는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate·이하 EC) 전해액은 높은 점성(3.38 cP)과 강한 용매화, 큰 결정립으로 구성된 음극 계면층을 만들어 고속 충전 시 리튬이온이 원활하게 이동하거나 흑연 음극 층상 구조로 들어가는 것을 방해한다.

또 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 높이는 단점을 보인다.

공동연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 EC를 완전히 대체할 수 있는 새로운 전해질 용매인 ‘아이소부티로니트릴’을 배터리 전해질에 도입해 리튬이온의 탈 용매화 에너지를 낮추고, 음극 계면층의 결정립 크기를 줄여 저온 및 상온에서 고속 충전이 되는 배터리 전해질 기술을 제시했다.

또 아이소부티로니트릴 용매 도입으로 EC 전해질 대비 55% 낮은 점성(1.52 cP), 54% 높은 이온전도도(12.80 S/cm)를 갖는 고이온 전달성 전해질 시스템을 개발했다.

아이소부티로니트릴 전해질은 리튬이온의 탈 용매화 에너지를 큰 폭으로 줄여 15분 이내 고속 충전과 300회 사이클에서도 음극 상단부에 비가역성 리튬 전착 없이 94.2%의 용량을 유지하는 것으로 확인됐다.

특히 공동연구팀은 원자간력 현미경 모드 중에서 전기화학적 변형 현미경(Electrochemical Strain Microscopy)을 활용해 전해액 조성에 따라 리튬이온의 전도도가 달라지는 것과 음극 계면층에서 리튬이온이 이동하는 것을 세계 최초로 영상화하고, 전해질 조성이 음극 계면층 결정립 크기에 영향을 주는 것을 밝혀냈다.

이번 연구는 음극 계면층의 결정립 크기와 배열상태 및 전해질의 용매화 구조가 리튬이온전지의 고속 충전 시간에 영향을 주는 핵심 요소라는 밝혀냈다는 점에서 의미를 갖는다.

여기에 높은 결정성으로 저온에서 빠른 리튬이온의 이동이 불가능한 EC 용매를 저결정성-초저점도 아이소부티로니트릴 용매로 대체함으로써, 상온 및 영하 10도에서도 고속 충전을 가능하게 해 전기차 배터리의 가장 큰 장해물인 충전 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 기술로 평가받는다.

공동연구팀은 향후 이 기술이 에너지 저장 시스템(ESS), 드론, 우주 항공 산업 등 다양한 분야에서 리튬이온전지의 고속충전 기술을 실용화하는 데 기여할 것으로 기대한다.

최남순 KAIST 교수는 “공동연구팀은 리튬이온전지의 충전 시간을 획기적으로 줄이는 음극 계면층 기술과 전해질 시스템을 제시했다”며 “이번 연구는 기존 고리형 카보네이트 전해질 소재(EC)의 한계를 극복하는 니트릴계 전해질 기술(isoBN)로, 충전 시간 단축을 통해 전기차 대중화를 앞당기는 데 기여할 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 한국산업기술기획평가원의 전기차 고출력 배터리 및 충전시스템 기술 개발사업과 한국연구재단의 나노·소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

KAIST 생명화학공학과 최남순 교수와 송채은·한승희 연구원, 신소재공학과 홍승범 교수와 최영우 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 지난 11일 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’를 통해서도 소개됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr