배터리 수명 2.8배↑…UNIST, 고전압 배터리 전해질 개발

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 국내에서 장거리 주행 전기차 배터리인 '고전압 배터리'의 수명을 늘리고 폭발 위험은 줄이는 젤 형태 물질이 개발됐다.

고전압 배터리 '노화'의 주범인 활성산소 생성을 아예 차단하는 물질로, 이 물질을 적용하자 배터리 수명은 2.8배 늘고, 부풀어 오름도 6분의 1 수준으로 줄었다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 송현곤 교수팀이 배터리를 고전압으로 충전할 때 전극에서 활성산소가 새어 나오는 반응을 원천 봉쇄하는 '안트라센 기반 반고체 젤 전해질(An-PVA-CN)'을 개발했다고 5일 밝혔다.

이번 연구는 한국화학연구원 정서현 박사, 한국전자기술연구원 황치현 박사팀과 함께 진행했다.

고전압 배터리는 4.4V 이상의 전압으로 충전되는 리튬이온전지로, 더 많은 전기를 저장할 수 있어 배터리팩을 가볍게 만들 수 있다. 하지만 충전전압이 높아질수록 하이니켈 양극의 산소가 불안정해지면서 '일중항산소'라는 활성산소로 변해 빠져나오게 되는데, 이 활성산소는 가스를 발생시켜 배터리 폭발 위험을 높이고 수명도 단축시킨다.

개발된 전해질의 안트라센은 전극 표면의 불안정한 산소와 결합함으로써 불안정한 산소끼리 결합하는 반응 단계를 차단한다.

전해질의 또 다른 성분인 니트릴 작용기는 양극의 니켈 금속을 안정화해 니켈이 녹아 나오거나 양극 구조가 변형되는 것을 막아준다.

새 전해질을 적용한 배터리는 4.55V 고압 충전 조건에서 500회 충·방전 후에도 초기 용량의 81%를 유지한 반면, 기존 배터리는 180회 사이클 만에 초기 용량의 80% 이하로 떨어졌다. 배터리 용량이 초기의 80% 이하로 떨어지면 수명이 다했다고 보기 때문에, 수명이 2.8배 증가한 셈이다.

또 배터리 팽창의 원인이 되는 가스 발생도 크게 억제됐다. 기존 배터리가 85마이크로미터(µm) 팽창한 것과 달리 젤 전해질을 적용한 배터리는 13µm 정도 부풀어 오르는 데 그쳐, 부피 팽창을 약 6분의 1 수준으로 억제했다.


      

송현곤 교수는 "고전압 배터리의 산소 반응을 '전해질 설계' 단계에서 직접 제어할 수 있다는 점을 보여줬다"며 "이 원리는 향후 우주항공용 경량 리튬이온전지와 대용량 에너지저장장치(ESS) 개발에도 응용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 에너지 재료 분야 국제학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)'에 10월 5일 자로 온라인 게재됐다.

연구 수행은 UNIST 하이드로 스튜디오(Hydro*Studio)의 이노코어(InnoCore) 프로그램과 한국산업기술기획평가원, 한국화학연구원 프로젝트의 지원을 받았다.


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