KAIST "LFP 배터리 수명 늘릴 ‘전해질 첨가제 기술’ 개발"

리튬인산철(LFP) 배터리의 수명을 늘릴 수 있는 전해질 첨가제 기술이 국내에서 개발됐다. 이 기술을 전기차용 전지에 도입하게 되면, 첨가제 없는 전해질과 비교할 때 고온 수명은 20%·상온 수명은 9% 높아질 것으로 기대된다.

KAIST는 최남순 생명화학과 연구팀이 저비용 리튬인산철 양극과 흑연 음극으로 구성된 리튬이온 이차전지의 상온·고온 수명 횟수를 늘릴 ‘전해질 첨가제 기술’을 개발하는 데 성공했다고 16일 밝혔다.

전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해선 높은 성능의 에너지 밀도 전지가 필수적이다. 리튬인산철은 팩 단위에서 높은 에너지 밀도를 확보할 수 있는 장점을 가져 주목받는다. 하지만 리튬인산철 양극은 낮은 전자전도도로 계면층을 형성하기 어려운 한계가 있다.

연구팀이 개발한 기술은 리튬인산철의 한계를 개선할 수 있는 단초를 마련했다는 점에서 의미를 갖는다.

개발된 첨가제가 사용되지 않은 리튬인산철 양극과 개발 첨가제를 적용한 리튬인산철 양극의 C-AFM 나노스케일 영상화 결과. 영상화 결과에서 개발 첨가제를 사용한 경우는 3D 전류 신호가 비교적 높은 값을 보이는 것(초록색 부분이 증가함)을 확인할 수 있다. KAIST 제공

기존 전해질 첨가제 연구는 주로 흑연 음극을 보호할 목적으로 설계돼 높은 이온전도도를 갖는 동시에 전해질 부반응이 억제되고, 수지상 리튬(Li dendrite)이 성장하지 않도록 낮은 전자전도도를 갖는 계면층을 형성하는 것이 주류였다.

하지만 연구팀이 개발한 전해질 첨가제는 흑연 음극을 보호하는 것은 물론 발열 특성이 낮은 셀 투팩(Cell To Pack, 모듈을 생략해 팩 단위에서 높은 에너지 밀도를 갖는 방식) 기술 도입으로 리튬인산철 양극을 보호, 양극 표면에서 전자전도도와 이온전도도의 균형을 맞추는 데 성공했다. 배터리를 충전하고, 방전하는 횟수가 늘어나도 급격하게 용량이 감소하는 문제를 해결할 수 있다는 것이 핵심이다.

특히 연구팀이 개발한 기술은 기업이 요구하는 수준의 높은 합재 밀도를 가진 흑연 음극과 리튬인산철 양극을 사용해 배터리의 상온·고온 수명을 늘렸다는 점 그리고 저비용으로 극대화된 효율을 낼 수 있는 리튬인산철용 전해질 첨가제의 디자인 방향성을 제시했다는 점에서 의미를 갖는다.

이번 연구는 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다. KAIST 최남순 교수와 문현규, 김동욱(現 LG에너지솔루션) 연구원은 전해질 시스템 개발과 실험적 원리 규명을 담당하고, KAIST 홍승범 교수와 박건(現 LG에너지솔루션) 연구원이 전도성 원자현미경(C-AFM) 분석으로 전해질 첨가제가 적용된 리튬인산철 양극 표면에서의 전자전도도를 나노스케일로 영상화하는 역할을 맡았다.

논문의 공동 제1 저자인 문현규 생명화학공학과 연구원은 "개발된 전해질 첨가제는 내열성과 전도성이 우수한 전극 계면 층을 형성해 전지의 구동 온도인 45도 500회, 25도 1000회 충·방전 후에도 각각 초기용량의 80.8%, 73.3%를 발현했다“며 ”이는 첨가제가 없는 전해질과 비교해 각 20.4%, 8.6% 향상된 수치로, 개발한 첨가제를 전기차 배터리에 적용한다면 수명 보장기간(현 10년→11년~12년)도 늘어날 수 있을 것으로 기대한다“고 말했다.

할 수 있다. 또한, 리튬인산철 양극의 낮은 전자전도 특성을 개선해 고속 충전 조건에서도 효과가 있었다? 라고 말했다

한편 연구팀의 연구성과를 담은 논문은 국제 학술지 `어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈' 온라인(5월 9일자)에도 게재됐다.