[디지털머니=김지성 기자] 미래 전기차 이용자들이 가장 고민스럽게 생각하는 배터리 수명 문제를 획기적으로 해결하는 기술이 개발됐다.

전기차 구매에 가장 큰 고민인 배터리 수명을 늘려 전기차의 효용성을 한층 높여줄 것으로 보인다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과의 최남순·곽상규 교수와 화학과 홍성유 교수팀은 대용량 리튬이온배터리 개발 난제로 꼽혀 온 전극 소재의 불안정성을 해결할 수 있는 배터리 전해액 첨가제(DMVC-OCF3, DMVC-OTMS)를 개발했다고 14일 밝혔다.

이 첨가제를 이용해 대용량 배터리를 만들면 400회 충·방전 후에도 초기 배터리 용량의 81.5%의 성능을 유지한다는 결과가 나왔다. 이러한 결과는 상용 첨가제인 FEC(플로로에틸렌 카보네이트)나 VC(바닐렌 카보네이트)를 사용한 배터리보다 성능이 10~30% 향상된 것이다.

배터리 수명에 민감할 수밖에 없는 미래 전기차 이용자들이 이 기술이 적용된 배터리를 사용할 경우 더욱 안심하고 사용할 수 있을 것으로 보인다.

울산과기원 에너지화학공학과 최남순·곽상규 교수와 화학과 홍성유 교수팀이 참여한 연구 결과는 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 2월5일자로 출판됐다. 또한 이 연구는 우수성을 인정받아 저널 편집자가 선정한 영향력 있는 논문(Editors’ Highlights)으로도 소개됐다.

전기차 수요와 함께 늘어나고 있는 대용량 배터리 수요로 상용 리튬이온배터리의 전극을 고용량 소재인 실리콘과 하이니켈로 대체하려는 연구가 활발한 것이 현실이다.

실리콘 음극은 충·방전시 부피가 3배 이상 늘었다 주는 것이 반복된다. 부피가 3배씩 늘어나는 실리콘 음극은 기계적 내구성이 떨어질 수밖에 없다. 여기에 하이니켈 양극도 화학적으로 불안정한 문제가 있다.

하이니켈 소재는 전이금속인 니켈함량이 80%를 차지하는 양극 소재를 말한다. 니켈함량이 높을수록 전지 용량이 커져 대용량 배터리에 많이 쓰이게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 개발된 것이 바로 연구팀이 개발한 새로운 배터리 전해액 첨가제다.

개발된 첨가제가 실리콘 혼합 음극 표면에 만든 보호막이 고무줄처럼 유연하게 형성돼 안정성을 높인다. 또한 리튬이온 투과성(이동성)이 뛰어나 효율성도 높다. 실리콘의 반복적 부피변화에 의한 기계적 과부하를 줄이고 고속충전이 가능하게 한다.

이에 대해 곽상규 교수는 “개발된 첨가제는 전해액 속에서 분해돼 활성성분(라디칼)을 만든다”며 “이 활성성분이 다른 첨가제 성분들과 순차적 반응해 실리콘 전극 표면에 유연한 고분자 보호막을 만들게 된다”고 보호막 형성과정을 설명했다.

또한 첨가제는 전해액 속 불산(HF)을 제거해 하이니켈 양극 내부 금속(니켈)이 밖으로 유출되는 것을 막는다. 배터리 열화의 원인 물질 불산을 제거해 배터리 성능을 지속적으로 유지시켜주는 것이다.

최남순 교수는 “이번 성과는 기존 첨가제(VC)의 단점을 보완할 수 있는 물질 구조 설계 및 실험, 시뮬레이션, 이 물질 구조를 실제로 만들기 위한 합성 방법 연구의 협업 결과”라며 “대용량 리튬이온배터리용 전해액 첨가제 개발의 새로운 방향을 제시했다”고 밝혔다.

디지털머니 김지성 기자 nugi7178@gmail.com 김지성 기자의 기사 더보기

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