울산과학기술원(UNIST)과 한국과학기술원(KAIST)의 공동연구팀이 리튬금속배터리의 수명을 기존보다 약 3배 늘릴 수 있는 혁신적인 전해액을 개발하는 데 성공하였습니다. 이번 연구는 배터리의 핵심 성능 향상에 기여할 수 있는 새로운 설계 원리를 제시하며, 차세대 에너지 저장 기술의 발전에 중요한 이정표가 될 것으로 기대됩니다.
💎 배터리 성능 향상의 핵심, 전해액 설계 혁신
리튬금속배터리는 기존 리튬이온배터리 대비 더 높은 에너지 밀도를 자랑하며, 전기차와 에너지저장장치(ESS) 분야에서 큰 관심을 받고 있습니다. 하지만, 충·방전 과정에서 리튬이온이 전해액과 반응하면서 배터리 내 리튬이 소모되고, 용량이 빠르게 저하되는 문제가 있습니다. 특히, 전압을 높여 충전할 경우 전해액 분해와 전극 손상이 심각해져 실용성을 제한하는 한계가 존재합니다.
💎 혁신적인 설계 원리, ‘협동 용매화’ 도입
연구팀은 에틸렌카보네이트(EC)와 설폴레인(SL)을 3대 7 비율로 혼합하고, 여기에 리튬염과 소량의 첨가제를 더하여 새로운 전해액을 구성하였으며, 이 과정에서 기존에는 배터리 성능 향상에 적합하지 않다고 여겨졌던 두 용매를 활용하였습니다. 흥미로운 점은, 이 두 용매는 각각 리튬이온을 강하게 붙잡는 특성을 가지고 있었으나, 서로 결합하여 ‘협동 용매화’라는 현상을 유발함으로써 리튬이온과 용매 간 결합력을 약화시킨다는 점입니다.
이 현상은 두 용매 분자가 서로 끌어당기면서 리튬이온이 주변 용매에 강하게 결합하는 것을 방해하는 것으로, 기존 전해액 설계의 통념을 뒤집는 새 원리로 평가받고 있습니다. 실험 결과, 이 전해액은 25°C에서 4.5V까지 충전하였을 때, 150회 충·방전 후에도 초기 용량의 약 80%를 유지하며 우수한 내구성을 보여줍니다. 반면, 기존 탄산염계 전해액을 사용한 배터리는 약 50회 만에 용량이 80% 이하로 떨어졌고, 가스 발생과 니켈 용출 등 부작용도 감소하였으며, 쿨롱효율 역시 높게 유지되었습니다.
The phenomenon where two solvents weaken the binding force with lithium ions by attracting each other is called ‘cooperative solvation’.
두 용매가 서로 끌어당기면서 리튬이온과의 결합력을 약화시키는 현상을 ‘협동 용매화’라고 명명했습니다.
이 설계 원리는 기존의 강한 결합력을 갖는 용매를 사용하는 방식을 뛰어넘어, 더 높은 배터리 내구성과 안전성을 동시에 확보하는 데 기여할 수 있습니다. 홍진기 연구원은 “이 원리는 기존의 전해액 설계 패러다임을 깨는 새로운 접근법”이라며, “리튬금속배터리뿐 아니라 기존 리튬이온배터리의 성능 개선에도 활용 가능하다”고 전했습니다. 또한, 송현곤 교수는 “고가의 불소계 용매나 고농도 염에 의존하지 않고도, 상용화 가능한 용매를 이용해 전해액 성능을 높였다”며, “전기차와 에너지저장장치 등에 적용될 고용량 배터리의 수명을 연장하는 데 도움이 될 것”이라고 밝혔습니다.
이번 연구는 산업통상자원부 한국산업기술기획평가원(KEIT)과 국가과학기술연구회(NST)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 나노과학 분야의 국제학술지인 ‘ACS Nano’에 8월 11일 게재되었습니다. 이번 성과는 차세대 배터리 기술 개발에 중요한 돌파구를 제공하며, 친환경 전기차와 에너지 저장 분야의 경쟁력 확보에 기여할 전망입니다.
이처럼 새로운 전해액 설계 원리와 소재 활용 방법은 배터리의 내구성과 안전성을 한층 높이면서, 제조 비용 절감과 성능 향상이라는 두 마리 토끼를 잡는 획기적 기술로 평가받고 있습니다. 앞으로 이러한 기술이 상용화되어, 더 오랜 시간 동안 안정적으로 사용할 수 있는 고성능 배터리 개발이 기대됩니다.
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