KAIST, 전기차 주행거리 500km 돌파 배터리 기술 개발

TMSBTA 첨가제가 형성하는 고체 전해질 계면막에 대한 디자인 모식도. 자료=KAIST

전기차는 일반 휘발유·경유 대비 완충 시 주행거리가 짧아 구매를 꺼리는 경우가 많다. 때문에 현재보다 긴 주행거리가 요구되는데 KAIST와 현대자동차가 1회 충전에 500km 이상 운행할 수 있는 저비용 리튬인산철(LFP) 양극향 첨가제 기술을 최초로 개발했다.

현재 전기차용 배터리는 단일 전지(Cell)를 적층하여 배터리 관리시스템(BMS)과 냉각장치가 포함된 모듈(Module)을 구성하고, 이를 다시 모아 관리시스템으로 구성한 팩(Pack)으로 구성돼 있다. 팩 단위에서 고에너지 밀도가 확보 가능하다는 장점이 있는 리튬인산철 양극은 낮은 전자전도도를 가져 계면층을 형성하기 어렵다는 단점이 있다.

이에KAIST 생명화학공학과 최남순 연구팀이 저비용 리튬인산철 양극과 흑연 음극으로 구성된 리튬이온 이차전지의 상온 및 고온 수명 횟수를 늘린 전해질 첨가제 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

1-(트리메틸실릴)-1H-벤조트리아졸 전해액 첨가제 도입 유무에 따른 리튬인산철 양극 및 흑연 음극 풀 셀 수명성능 그래프. a) 45도 고온 수명평가, b) 25도 상온 수명평가, c) 45도 고온 고속충전 수명평가. 자료=KAIST

기존 전해질 첨가제 연구는 주로 흑연 음극을 보호하기 위해 설계돼 높은 이온전도도를 가짐과 동시에 전해질 부반응이 억제되고 수지상 리튬(Li dendrite)이 성장하지 않게 하도록 낮은 전자전도도를 갖는 계면층을 형성시켰다.

이와 다르게 연구팀이 개발한 전해질 첨가제는 흑연 음극을 보호함과 동시에 삼성분계 양극과는 달리 발열 특성이 낮아 셀 투 팩(Cell To Pack) 기술도입 가능한 리튬인산철 양극을 보호하며 양극 표면에서 전자전도도와 이온전도도의 균형을 맞추는 데 성공했다. 이는 배터리 충·방전 횟수 증가에 따른 급격한 용량 감소 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술이다.

삼성분계 양극은 'LiNixCoyMn1-x-yO2(NCM)' 화학식으로 표현되는 층상형 양극재의 한 종류로서, 니켈함량이 높을수록 양극 가역 용량이 높아져 배터리 용량을 증가시키나 발열량이 증가하고, 비가역적인 전극 열화에 취약한 한계를 가진다.

고속 충전 과정 중 리튬인산철 양극의 원활한 탈리튬화 반응을 위하여 1-(트리메틸실릴)-1H-벤조트리아졸 첨가제 형성한 전도성의 양극-전해질 계면막을 통한 전자 전잘 경로 모식도. 개발된 첨가제가 사용되지 않은 리튬인산철 양극과 개발 첨가제를 적용한 리튬인산철 양극의 C-AFM 나노스케일 영상화 결과. 자료=KAIST

연구진이 개발한 셀 투 팩 기술은 높은 안정성을 가진 리튬인산철 양극 사용해 단일 셀로 팩을 구성하는 기술로, 모듈을 생략해 팩 단위에서 높은 에너지밀도를 갖는다.

개발 기술은 일반적인 실험실 수준이 아닌 기업에서 요구하는 수준의 높은 합재 밀도를 가진 흑연 음극과 리튬인산철 양극을 사용해 배터리의 상온 및 고온 장수명을 실현했다는 점과 저비용으로 극대화된 효율을 낼 수 있는 리튬인산철용 전해질 첨가제 디자인의 방향성을 제시했다는 점에서 그 의미가 크다.

이번 논문의 공동 제1 저자인 KAIST 생명화학공학과 문현규 연구원은 "개발된 전해질 첨가제는 내열성과 전도성이 우수한 전극 계면 층을 형성해 리튬인산철 양극과 흑연 음극으로 구성된 전지의 구동 온도인 45도 500회, 25도 1000회 충·방전 후에도 각각 초기용량의 80.8%, 73.3%를 발현했으며, 이는 첨가제가 없는 전해질과 비교 시 각각 20.4%, 8.6% 향상된 수치"라고 밝혔다.

사용 전 양극과 기존 전해질 및 개발 전해질을 이용하여 45도 500회 충방전 후 STEM 및 단면 양극입자 SEM 분석한 결과. 자료=KAIST

이어 "현재 전기차용 전지가 약 10년 수명을 보장하므로 개발한 본 첨가제를 적용한다면 10~20% 향상된 11년에서 12년 수명을 보장할 수 있을 것으로 기대할 수 있다. 또한, 리튬인산철 양극의 낮은 전자전도 특성을 개선해 고속 충전 조건에서도 효과가 있었다"라고 말했다.

최남순 교수는 “이번 성과는 리튬인산철 양극을 보호하는 전해질 첨가제 기술로 이온전도와 함께 전자전달이 가능한 양극 계면층을 형성하는 것이 전해질의 상한한계전압보다 낮은 충전전압조건을 가진 배터리 성능을 확보하는 핵심기술이다”라고 연구의 의미를 강조했다. 뿐만 아니라 양산 수준의 전극 로딩 조건에서 상온에서부터 고온에 이르기까지 온도 내구성이 뛰어난 전극 계면층을 형성하는 전해질 첨가제 기술로 전기차 배터리 등에 활용이 기대된다고 밝혔다.

이번 연구에서 KAIST 최남순 교수와 문현규, 김동욱(現 LG에너지솔루션) 연구원은 전해질 시스템 개발과 실험적 원리 규명을 담당했다. KAIST 홍승범 교수와 박건(現 LG에너지솔루션) 연구원은 전도성 원자현미경(C-AFM) 분석을 통해 전해질 첨가제가 적용된 리튬인산철 양극 표면에서의 전자전도도를 나노스케일로 영상화했다.

한편 이번 연구는 저명한 국제 학술지 '어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈 (Advanced Functional Materials)'에 5월 9일자로 온라인 공개됐다.(논문명 : Balancing Ionic and Electronic Conduction at the LiFePO4 Cathode–Electrolyte Interface and Regulating Solid Electrolyte Interphase in Lithium-Ion Batteries).

한편 이번 연구 수행은 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다.

이상훈 글로벌이코노믹 기자 sanghoon@g-enews.com