LiDFBP와 LiNO3 첨가제 도입에 의한 리튬금속 음극 이중층 계면막 형성과 니켈리치 양극 계면막 형성에 대한 모식도 (좌측) 기능성 첨가제가 도입되지 않았을 경우 리튬금속 음극에서 수지상 리튬이 형성되며 니켈 양극에서는 전이 금속(Ni2+)과 알루미늄(Al3+) 용출이 발생한다. (우측) 전자 받음 경향성에 따른 2종 이온성 첨가제(LiDFBP + LiNO3)의 순차적 환원분해반응이 안정한 고체전해질 이중층 계면막을 형성하여 덴드라이트 형성을 억제하고 리튬 이온수송을 원활하도록 도와주는 두 가지 기능을 수행함을 나타낸 것이다. 또한 리튬음극표면에서의 강한 흡착력을 가지는 LiDFBP의 경우 2전자 환원반응을 통해 안정한 양극 계면막을 형성하여 전이 금속과 알루미늄 용출을 억제하고 고전압에서의 전해액의 산화분해를 억제한다. KAIST 제공리튬금속전지의 수명을 길게 하기 위한 전해액 첨가제 기술이 개발돼 리튬전지의 수명주기가 더욱 길어질 것으로 전망된다.
KAIST는 "생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 리튬금속전지의 장수명화를 가능하게 하는 전해액 첨가제 기술을 개발했다"고 16일 밝혔다. 개발된 첨가제 조합 기술은 리튬금속 음극 표면에 바람직한 이중층 고체전해질 계면 박막을 형성해 리튬 덴드라이트 형성을 억제하고 리튬이온을 균일하게 전달해 리튬금속전지의 수명과 고속 충‧방전 특성을 대폭 향상시켜 준다. 리튬 덴드라이트(lithium dendrite)는 리튬 이온 전지를 사용할 때 생기는 나뭇가지 모양의 결정으로 리튬 덴드라이트가 일어나면 내부 전기저항이 급격히 올라가 열이 발생해 화재로 이어지기도 한다.
오래 달리는 전기차를 실현하기 위해서는 전지의 핵심 성능인 에너지밀도를 높여야 한다.
'리튬금속전지'는 리튬이온전지의 흑연보다 10배 이상 높은 용량을 발현하는 리튬금속 음극을 채용하고 있어 전지의 고에너지 밀도화를 달성할 수 있다. 그러나 높은 환원력을 가지는 리튬금속 음극과 전해액의 반응을 제대로 제어하지 못하면 리튬금속전지의 장수명을 달성하기 어렵다.
기존의 연구들이 추구한 것은 '리튬금속 표면에 고체 전해질 계면막을 형성시키는 것'이 주목적이었다. 하지만 카이스트 연구팀은 고체전해질 계면막을 계층화하고 형성된 이중층 계면막의 담당 기능을 구체화할 수 있는 환원반응성과 흡착력이 다른 '2종 이온성 첨가제'를 도입해 리튬금속 전지 수명을 크게 끌어올리는데 성공했다. 이 첨가제는 양극의 구조적 안정성도 확보할 수 있다.
연구팀은 이중층 고체전해질 계면막을 형성해 리튬금속 음극이 가지는 불안정성을 해결했고, 리튬금속 음극에 근접한 계면막은 리튬 전착-탈리반응에 따른 스트레스를 견딜 수 있는 기계적 강도를 가지는 리튬플루오라이드(LiF) 성분의 물질을 가지도록 했다. 바깥쪽 계면막은 이온 수송 능력이 우수한 리튬나이트라이드(Li3N) 물질이 포함되도록 했다.
이같은 리튬금속 음극 표면 고체전해질 계면막의 계층적 구조화 기술은 전해액 핵심 소재 기술이 될 것으로 기대된다, 특히 무음극 이차전지의 성능 향상에도 기여할 것으로 연구팀은 전망했다. 무음극 이차전지는 이차전지 시장 판도를 바꿔놓을 게임 체인저로 거론되고 있다.
개발된 리튬금속 음극 보호용 이중층 계면막 기술은 리튬금속 음극과 니켈 리치 양극으로 구성된 전지의 600회 충·방전 후에도 초기 용량의 80.9%를 발현했고 99.94%의 매우 높은 쿨롱효율을 보였다.쿨롱효과는 배터리의 미래 성능을 예측하는 지표 가운데 하나로 쿨롱효율(CE)가 1인 배터리는 효율이 영원히 지속된다는 의미다.
최남순 교수는 "개발된 고체전해질 이중층 계면막 기술은 리튬금속 전지의 최대 과제인 리튬금속 음극과 전해액의 불안정한 계면을 제어하는 첨가제 개발에 새로운 방향을 제시했다"고 의미를 부여했다. 연구 논문은 국제 학술지 '에너지 스토리지 머터리얼즈'에 10월 25일자에 게재됐다.