[에이티엔뉴스=이기종 기자] 한국과학기술(KAIST)은 생명화학공학과 최남순 교수팀이 고려대학교 곽상규 교수팀, 울산과학기술원(UNIST) 홍성유 교수팀, 현대자동차, 한국화학연구원과 공동연구로 최고 수준의 전기차 배터리 첨가제 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

전기자동차에 전력을 공급하기 위해 고용량, 고에너지밀도 이차전지 개발이 필수적이다.

특히 1회 충전으로 500km 이상 운행할 수 있는 전기자동차용 이차전지를 개발하기 위해 높은 가역용량(200 mAh g-1) 이상)을 가지는 니켈리치 양극과 흑연보다 10배 높은 용량을 발현하는 실리콘 음극 물질이 차세대 리튬이온전지의 소재로 주목받고 있다.

특히 실리콘의 부피 변화에 따른 활성표면 노출을 억제하고 양극에서 전해액의 비가역적 산화분해를 최소화하는 계면을 형성하는 전해질 첨가제 기술은 실리콘 음극과 니켈리치 양극이 사용된 고에너지밀도 이차전지의 실용화에 필수적인 기술이다.

하지만 기존 전해질 첨가제 연구는 기존 물질들의 스크리닝 기법을 통해 시행착오를 거쳐 개발되기 때문에 시간과 비용이 많이 소모되어 신규 전극 소재에 대응하기 어려운 한계점이 있다.

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 고용량 실리콘 기반 음극과 니켈리치 양극으로 구성된 리튬이온 이차전지의 상온 및 고온 장수명화를 가능하게 하는 전해질 첨가제 기술을 개발했다.

연구과정을 보면 전해질 첨가제 설계 초기 단계부터 연구대상으로 하는 양극과 음극에 적합한 작용기를 분자공학적 기법으로 조합해 첨가제를 디자인하고 합성했다.

이 과정에서 디자인된 전해질 첨가제는 전자 수용 및 전자 공여 그룹의 전기화학적 반응에 의해 고용량 실리콘 기반 음극 및 니켈 리치 양극 표면에 고체전해질 계면막을 형성해 전지의 상온 및 고온 수명을 향상시켰다.

이 연구결과에 의하면 연구팀이 개발한 전해질 첨가제는 실리콘 기반 음극과 니켈 리치 양극의 저온, 상온 및 고온에서의 가역성을 증대시켜 배터리 충방전 횟수 증가에 따른 급격한 용량 감소 문제를 해결했으며 저비용으로 극대화된 효율을 낼 수 있는 전해질 첨가제 디자인의 방향성을 제시했다.

이 연구에서 KAIST 최남순 교수와 문현규, 남희범(現 현대자동차 연구원) 연구원은 전해질 시스템 개발과 실험적 원리 규명을 담당했고 UNIST 홍성유 교수와 김민평, 전민호(現 한국화학연구원 연구원) 연구원은 디자인된 첨가제를 쉽게 얻는 합성법을 개발했다.

또 고려대학교 곽상규 교수와 이승민, 김형준 연구원은 계산화학 시뮬레이션을 통해 음극 및 양극에서의 전해질 첨가제의 계면 층 형성 과정을 이론적으로 규명했다.

이와 관련해 공동 제1저자인 KAIST 생명화학공학과 문현규 연구원은 “개발된 전해질 첨가제는 내열성과 유연성이 우수한 전극 계면 층을 형성하여 전기차 구동 온도 45도에서 실리콘 기반 음극과 니켈 리치 양극으로 구성된 전지의 반복적인 300회 충방전 후에도 초기 용량의 72.5%를 발현했다”고 설명했다.

이어 최남순 카이스트 교수는 “이번 성과는 기존 상용 첨가제들(VC, FEC)의 한계를 극복할 수 있는 전해질 첨가제 기술로 물질 구조 디자인, 합성 및 계산화학을 통해 연구시간 및 비용을 줄이고 타겟 양극 및 음극 특성에 적합한 첨가제를 정확하게 개발해 내는 새로운 방향을 제시했다”고 말했다.

이 연구는 국제 학술지 어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)에 4월 4일 공개됐다.

학술지에 게재된 논문명은 “Elastic Interfacial Layer Enabled the High-Temperature Performance of Lithium-Ion Batteries via Utilization of Synthetic Fluorosulfate Additive”이다.