한국과학기술원(KAIST)은 최남순·홍승범 교수 공동 연구팀이 리튬이온 배터리의 리튬이온 이동을 극대화할 수 있는 새로운 전해질 용매 '아이소부티로니트릴'(isoBN)를 개발했다고 17일 밝혔다.

전기차 등에 쓰이는 리튬이온 배터리는 크게 양극과 음극, 액체 전해질로 구성된다.

기존 전해질 용매로 쓰이는 에틸렌 카보네이트(EC)는 높은 점성과 강한 용매화(리튬이온이 전해질을 이동할 때 둘러싼 용매가 함께 이동하는 현상) 특성 때문에 고속충전 시 리튬이온의 원활한 이동을 방해한다는 문제가 있다.

특히 음극 계면층(SEI·배터리 제조 후 최초 충전 시 음극재 표면에 생기는 고체막으로, 리튬이온이 전해질만 이동할 수 있도록 도움)위에 금속 리튬이 전착 돼 배터리 수명을 단축하고 화재 위험성을 높이게 된다.

리튬 전착은 리튬이온이 흑연 층상구조로 삽입되지 못하고 표면에 석출(금속 형태로 표면에 나오는 현상)되는 현상이다.

연구팀은 리튬이온과 약한 결합을 하는 isoBN 용매를 도입, 용매화 구조를 조절하고 음극 계면층 형성을 최적화함으로써 리튬이온 이동성을 높였다.

기존 EC 전해질 대비 점성은 55% 낮추고, 이온전도도는 54% 높인 전해질 시스템을 개발, 고속 충전 시간을 기존 30분에서 15분으로 절반 수준으로 단축했다.

개발한 시스템은 300차례 충·방전에도 리튬 전착 없이 94.2%의 리튬 용량을 유지한 것으로 나타났다.

연구팀은 또 원자간력 현미경(AFM)의 한 모드인 전기화학적 변형 현미경(Electrochemical Strain Microscopy)을 이용, 전해액 조성에 따라 리튬이온 전도도가 달라지는 모습을 처음으로 영상으로 입증하는 데 성공했다.

최남순 교수는 "리튬이온전지의 충전 시간을 획기적으로 줄일 음극 계면층 기술과 전해질 시스템을 제시했다"며 "전기차는 물론 에너지 저장 시스템(ESS), 드론, 우주 항공 산업 등 다양한 분야에 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'(Advanced Materials)에 지난 11일 자로 실렸다.