"리튬이온전지 열폭주 막는다"…LG엔솔-포스텍·성균관대, 전해질 기술 개발

열폭주 90% 억제…이온성 화합물 활용
영하 20도에서도 용량 87% 유지돼
전고체 등 응용 확장 가능성에 주목

LG에너지솔루션 이 포항공과대학교(POSTECH), 성균관대학교와 공동으로 리튬이온전지의 저온 성능과 열안전성을 동시에 개선한 전해질 핵심 기술을 개발했다.

LG에너지솔루션은 연구팀이 영하 20도의 환경에서 100회 충·방전 후에도 기존 전해질 대비 약 87%의 용량을 유지하고, 열 폭주를 90% 이상 억제하는 성능을 확인했다고 20일 밝혔다. 이번 성과는 에너지 분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'와 '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A)'에 각각 게재됐다.

서울 영등포구 여의대로 LG에너지솔루션 본사. 강진형 기자

이번 연구의 핵심은 '알릴 트리메틸 포스포늄(APT)'이라는 새로운 이온성 화합물을 전해질에 섞은 것이다. 이 물질은 전해질이 쉽게 얼지 않도록 만들고, 전극과의 반응을 안정시켜 준다. 영하에서도 이온이 잘 움직일 수 있어 성능이 떨어지지 않는다. 실제로 이 전해질을 적용한 셀은 영하 20도에서도 100번 충·방전을 반복한 뒤 초기 용량의 약 87%를 유지했다. 기존 전해질이 같은 조건에서 10% 정도만 유지되는 것과 비교하면 큰 폭으로 개선됐다.

연구팀은 같은 APT 계열 화합물을 고용량 실리콘 음극 전지에도 적용해 열 폭주를 90% 이상 줄이는 데 성공했다. 셀에서 불이 날 때 발생하는 열이 기존의 10분의 1 수준으로 감소해, 주변 셀로 열이 번지는 속도를 크게 늦출 수 있다는 점도 확인됐다. 연구팀은 복잡한 구조를 바꾸지 않고 전해질 조성만으로 고에너지밀도 전지의 열안전성을 개선할 수 있었다고 설명했다.

이기라 포항공대 화학공학과 교수(왼쪽)와 박호석 성균관대 화학공학부 교수

LG에너지솔루션은 이번 연구가 자사 셀 제작·분석 역량, 포항공대의 이온성 화합물 합성 기술, 성균관대의 계면 분석 역량이 결합한 산학 협력의 결과물이라고 알렸다. 이기라 포항공대 교수 연구팀은 "산업 현장의 기술 과제를 학문적으로 재해석해 실질적인 해법으로 발전시킨 산학협력의 모범 사례"라고 말했다. 박호석 성균관대 교수 연구팀은 "APT 계열 화합물의 분자 설계 자유도를 활용하면 전고체 전지나 리튬 금속 전지로의 확장도 가능하다"고 설명했다.

연구팀은 이번 기술이 극저온 환경에서 작동하는 특수 목적 배터리와 고용량 실리콘 음극 기반 차세대 전지 등 다양한 분야로 확장될 수 있을 것으로 내다봤다. LG에너지솔루션 관계자는 "성능과 안전성이라는 상충된 과제를 하나의 이온성 화합물 플랫폼으로 해결한 사례"라며 "전기차뿐 아니라 항공·우주 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다"고 말했다.

오지은 기자 joy@asiae.co.kr