KAIST 연구진, 비불소계 나노 질화규소 적용
100사이클 후에도 74% 용량 유지..상용화 입증
100사이클 후에도 74% 용량 유지..상용화 입증
한국연구재단은 이진우 KAIST 교수 연구팀이 최남순 KAIST 교수, 이태경 경상국립대 교수 연구팀과 공동으로 리튬금속전지의 짧은 수명을 개선하고, 고속 충·방전과 고전압 성능을 높이는 나노입자 전해질을 개발했다고 10일 밝혔다.
리튬금속전지는 음극재에 흑연 대신 리튬금속을 사용하는 전지로, 에너지 밀도가 높아 기존 리튬이온전지를 대체할 차세대 배터리로 주목받고 있다. 다만 충·방전 과정에서 리튬금속의 표면에 나뭇가지 모양의 덴드라이트가 생겨수명이 짧아지고, 고전압에서 쉽게 부식된다는 문제가 있다. 전해질에 고함량 불소 성분을 첨가해 수명을 높일 수 있지만, 높은 비용과 환경오염, 다른 성능의 저하 등은 한계로 지적된다.
연구팀은 비불소계 나노 질화규소를 전해질에 첨가해 리튬이온을 안정화해 정밀 조절하고, 고체전해질 계면층을 형성함으로써 리튬금속전지의 핵심 성능을 끌어 올리는 전해질 설계 기술을 개발했다. 질화규소를 이용해 전해질 분해 과정에서 발생하는 불화수소를 효과적으로 포집해 양극재 부식을 막고, 고전압 환경에서 계면 안정성을 유지할 수 있었다고 연구팀은 설명했다.
개발한 나노전해질을 적용한 리튬금속전지는 50도의 고온과 4.5볼트의 고전압, 고속 충방전에서 장기적인 사이클 성능을 유지했고, 파우치셀 테스트에서는 100사이클 후에도 74%의 용량을 유지했다.
이진우 KAIST 교수는 "하나의 비불소계 첨가제에 여러 기능성을 구현하고, 파우치형 배터리에 나노입자 전해질을 최초로 활용했다는 데 의미가 있다"며 "수명과 속도 성능 저하, 고전압 내성 부족 문제 등을 효과적으로 해결해 리튬금속전지의 실용화에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.
이 연구결과는 에너지 분야 국제 학술지 '에너지 앤 인바이럴멘탈 사이언스(지난 2월 13일)'에 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr
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