국내 연구팀이 전기차 리튬 배터리를 15분 만에 충전할 수 있는 전해질 기술을 개발했다. 이 기술은 상온은 물론 영하 10도에서도 고속 충전이 가능해 전기차 보급 확대의걸림돌인 충전 시간 문제해결에 기여할수 있을 것으로 기대된다.

KAIST는 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀과 협력해 새로운 전해질 용매 '아이소부티로니트릴(isoBN)'을 개발했다고 17일 밝혔다. 이 기술은 배터리 내 리튬 이온 이동을 극대화해 상온에서 15분 내로 전기차 배터리 충전이 가능하게 한다. 또한 300회 충·방전 후에도 94.2%의 성능을 유지하는 것으로 나타났다.

연구팀은 전해질 내에서 용매화(Solvation) 구조를 조절하는 기술을개발했다. 이는 배터리의 핵심 요소인 음극 계면층(SEI)의 형성을 최적화해 리튬 이온 이동을 원활하게 하고, 고속 충전 시 발생하는 문제를 해결하는 방식이다.

통상적으로 전기차에 장착되는 리튬이온 배터리는 충전 시 리튬 이온의 이동이 원활하지 않아 충전 속도가 느렸다. 이는 배터리 내부에서 사용되는 에틸렌 카보네이트(EC) 전해액의 특성 때문이다.리튬이온 배터리에 사용되는 에틸렌 카보네이트(EC) 전해액은 높은 점성(3.38 cP)과 강한 용매화 특성, 큰 결정립으로 구성된 음극 계면층을 만들어 고속 충전 시 리튬 이온이 원활하게 이동하지 못한다. 또 음극 계면층 위에 금속 리튬이 전착되면서 배터리 수명이 단축되고 화재 위험도 높아진다.

이런문제를 해결하기 위해 연구팀은EC를 완전히 대체할 수 있는 isoBN을 개발했다. isoBN은 EC 전해질 대비 55% 낮은 점성(1.52 cP), 54% 높은 이온전도도(12.80 S/cm)를 가진 고이온 전달성 전해질 시스템이다. 이를 통해 리튬 이온의 탈용매화 에너지를 크게 감소시켜 고속 충전 시에도 음극 상단부에 비가역성 리튬 전착 없이 높은 용량 유지율을 기록했다.

연구팀은 X선 광전자 분광법(XPS)과 비행시간 이차이온 질량 분석(ToF-SIMS) 등을 활용해 음극 계면층의 조성과 리튬 이온의 이동 경로를 정밀하게 분석했다. 원자간력 현미경의 모드 중 하나인 전기화학적 변형 현미경(ESM)을 활용해 전해액 조성에 따라 리튬 이온의 전도도가 달라지는 것과 음극 계면층에서 리튬 이온이 이동하는 것을 관측했다.

이를 통해 연구팀은전해질 조성이 음극 계면층 결정립 크기에 큰 영향을 주는 것을 확인했다. 이어 isoBN/DMC 전해질을 사용한 경우, SEI에 작은 결정립이 형성돼더 많은 리튬 이온 삽입 경로를 제공하고, 높은 충전 속도에서도 리튬 전착을 최소화하며 리튬 이온의 원활한 이동을 가능하게 한다는 것을 규명했다.

또한 실험 과정에서 EC 기반 전해질 배터리는 4C의 고속 충전 시 특정 사이클 이후 지속적인 방전 용량 감소와 함께 배터리 열화가 나타났지만, isoBN 기반 전해질은 용량 저하 없이 안정적인 구동을 보였다. 영하 10도 저온 환경에서도 isoBN 기반 전해질의 리튬이온배터리는 안정적인 구동을 나타냈다.

KAIST 최남순 교수는 "리튬이온전지의 충전 시간을 획기적으로 줄이는 음극 계면층 기술과 전해질 시스템을 제시했다"라고 말했다.

이어 "이번 연구는 기존 고리형 카보네이트 전해질 소재(EC)의 한계를 극복하는 니트릴계 전해질 기술(isoBN)로 충전 시간 단축에 따른 전기차 대중화를 앞당기는 데 큰 진전을 이루며 향후 에너지 저장 시스템(ESS), 드론, 우주 항공 산업 등 다양한 분야에서 리튬이온전지의 고속 충전 기술이 실용화될 수 있을 것으로 기대된다"라고 전했다.

이번 연구는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 3월 11일 게재됐다.

/육지훈 기자 editor@popsci.co.kr