[ATN뉴스=이기종 기자] 한국연구재단(NRF)은 충남대학교 응용화학 공학과 송승완 교수팀이 리튬이온 이차전지의 충전속도를 4배 이상 향상시킬 수 있는 고안전성 계면제어 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

전기자동차와 에너지스토리지시스템(ESS) 시장이 확대되는 가운데 리튬이온 전지의 에너지밀도와 충전속도를 높여 주행거리와 저장용량을 향상시키려는 노력이 활발하다.

특히 리튬이온 전지의 수명과 안전성을 좌우하는 전극 표면보호층 (SEI)의 안정성을 높이려는 연구가 진행 중이다.

이는 전해액 소재 조절을 통해 전극 표면보호층(SEI, Solid Electrolyte Interphase)을 안정화시키거나 불연성 또는 난연성 전해액을 개발함으로써 화재위험을 줄이려는 것이다.

이 표면보호층(SEI)은 리튬이차전지 작동시 전해액 분해로 인해 전극 표면에 형성되는 보호층으로 음극과 양극 표면을 전기화학적으로 안정화한다.

표면보호층 형성과 안정성은 전해액 조성에 의해 제어될 수 있으며 리튬이온 이차전지의 장수명과 안전성 확보를 위한 필수요소이다.

하지만 리튬이온전지에 통상 사용되는 흑연음극의 경우 기존 전해액하에서 표면보호층이 비균일하거나 두껍게 형성될 수 있고 표면보호층 자체가 저항으로 작용하여 충전속도와 용량을 낮추는 한계가 있다.

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 새로운 유기계 불연성 전해액을 이용해 얇고 안정적인 낮은 계면저항을 갖는 표면보호층을 흑연음극 표면에 구축하고 기존보다 4배 이상 빠르게 흑연음극을 충전하는 데 성공했다.

연구과정을 보면 흑연 음극과의 계면호환성이 좋은 불연성 전해액을 개발해 얇고 안정하고 낮은 계면저항을 가지는 표면보호층을 흑연 음극 표면에 구축해 리튬이온 이차전의 안전성과 성능을 모두 높이고자 했다.

기존에도 난연성 전해액 첨가제가 사용되나 흑연 음극과의 계면호환성이 낮은 경향 때문에 안전성은 향상되나 성능은 약화되는 문제가 있었다.

먼저 연구팀이 보유한 원천기술인 PC계 불연 전해액을 흑연 음극에 적용해 얇고 안정하고, 낮은 계면저항을 가지는 표면보호층을 흑연 음극 표면에 구축하고 기존 충전속도보다 4배 이상 빠르게 흑연 음극을 충전했다.

이러한 빠른 충방전 과정에서 세계 최초로 흑연 음극의 이론 용량(372 mAhg-1) 급인 370 mAhg-1을 획득했고 안정한 충방전 사이클 성능을 획득했다.

이 연구결과에 의하면 리튬이온 이차전지의 안전성과 충전속도를 동시에 향상시켜 궁극적으로 전기자동차의 화재위험 제거와 빠른 충전을 가능케 했다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업의 지원으로 수행됐고 에너지화학 분야 캠서스캠(ChemSusChem)에 8월 2일 게재됐다.