KAIST, 무음극 배터리 '퇴화' 원인 규명

국내 연구팀이 무음극 배터리의 퇴화 원인을 규명했다. 이 배터리는 전기차에 탑재돼 1회 충전으로 800㎞를 주행하고, 1000회 이상 재충전이 가능할 것으로 기대돼 꿈의 기술로도 불린다.

(앞줄 왼쪽부터) 이정아 박사과정, 강하늘 석사과정, (뒷줄 왼쪽부터) 김세훈 박사과정, 최남순 교수. KAIST 제공

KAIST는 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 전극 계면에서 발생하는 반응의 비가역성과 계면피막 구조의 변화를 분석해 무음극 배터리의 퇴화 원인을 규명했다고 5일 밝혔다.

배터리 제조 직후에는 용매가 구리 집전체 표면에 흡착돼 초기 계면 피막을 형성하고, 충전할 때 양극으로부터 구리 집전체로 이동된 리튬 이온이 구리 집전체 표면에서 전자를 받아 리튬금속으로 전착한다. 이때 전착된 리튬금속 표면에서 전해질 음이온이 분해되면서 리튬금속표면에 계면 피막을 형성한다.

하지만 연구팀은 무음극 배터리를 처음 충전할 때 구리 집전체 표면과 전착된 리튬 표면에서 바람직하지 않은 전해질 분해반응이 일어나 계면피막 성분이 불안정하게 변하는 것을 확인했다.

배터리 제조 직후 집전체 표면에서 용매가 분해돼 계면 피막을 만들고, 전해질의 갈바닉 및 화학적 부식으로 계면 피막성분이 불안정하게 변하는 과정에서 리튬금속 전착 및 탈리 반응의 가역성이 감소한 것이다.

갈바닉 부식은 서로 다른 두 금속을 전기적으로 직접 접촉시켜 전해질에 담그면 고유의 전위차이로 한쪽이 부식되는 과정을 말한다. 화학적 부식은 전착 리튬금속 표면층까지 전달된 전자가 접촉하는 전해질 성분에 전달돼 전해질의 환원 분해가 발생하는 현상이다.

특히 리튬금속에 높은 반응성을 가진 FSI- 음이온은 충·방전 동안 반복해서 분해돼 리튬금속 계면피막을 두껍게 하고, 리튬염 농도를 감소시킨다. 이는 곧 리튬이온과 상호작용하지 않는 자유 용매(free solvent)가 많아지는 결과로 이어진다.

자유 용매는 이온성 화합물의 이온 결합을 끊고, 이온화시키는 용해 과정에 참여하지 않는 특성을 갖는다. 또 분해가 잘돼 분해산물이 양극 표면에 쌓여 저항을 높이고, 양극 구조 열화를 연쇄적으로 발생시키는 탓에 무음극 배터리 성능이 퇴화하는 원인이 된다고 연구팀은 설명했다.

또 무음극 배터리의 열화를 막기 위해서는 안정된 초기 전극 계면 피막을 만들어 전해질의 갈바닉 및 화학적 부식을 감소시키는 것이 필수적이라는 것을 강조했다.

최 교수는 “연구팀은 집전체에 전착된 리튬금속 표면에서 전해질이 바람직하지 않은 분해반응을 하고, 이 과정에서 형성된 계면피막 성분이 안정적으로 유지되지 못할 때 무음극 배터리의 성능 감소(퇴화)가 발생한다는 것을 확인했다”며 “이번 성과는 향후 무음극 기술에 기반한 차세대 배터리 시스템을 개발하는 데 중요한 실마리를 제공할 것”이라고 말했다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr