[한국대학신문 박인규 기자] 청주대학교 (총장 김윤배)는 에너지융합공학과 김재광 교수 연구그룹이 독일의 카를스루에 공과대학교(KIT)와 공동 연구를 통해 고에너지밀도를 가지는 하이 니켈 (Ni 83%) NCM전극 기반 리튬금속전지의 안전성과 수명을 획기적으로 개선시키는 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

비에너지가 높은 리튬이온이차전지는 전기 자동차 및 전기 수직 이착륙 (eVTOL) 항공기의 동력원으로, 주행 거리를 증가시키고자 하는 수요를 충족시키기 위해 연구자와 배터리 제조업체들이 활발하게 연구를 진행하고 있다.

그러나 가장 시급한 문제는 배터리 발화 또는 폭발 위험을 근절하기 위해 매우 안정적인 전해질을 사용해 리튬이온전지의 높은 안전성을 보장하는 것이다. 따라서 기존 가연성의 카보네이트 기반 액체 전해질을 대체하기 위한 잠재적 소재로 이온성 액체 전해질이 대두되고 있다.

하지만 이온성 액체 전해질은 상온에서 이온 전도도가 낮아 최종 셀의 충-방전 속도 성능이 제한되는 문제점이 제기됨에 따라 이를 해결하기 위해 공동연구팀은 NaPF6 첨가제를 포함하고 1-ethyl-3-methylimidazolium (EMI)와 1-butyl-1-methylpyrrolidinium (Pyr14) 이중 양이온을 가지며 상온에서 높은 이온전도도를 나타내는 이온성 액체 전해질을 개발했다.

이 이온성 액체 전해질과 니켈 함량이 높은 고전압 양극 (NCM)을 사용한 리튬금속이차전지는 상온의 1C의 전류 밀도에서 1500 사이클의 수명을 가진다. 이는 개발한 이온성 액체 전해질이 양극재의 표면과 리튬금속음극 표면에 균일한 안정적 피막을 형성하며 전해질 내에서 리튬 리튬이온의 이동을 촉진시키기 때문이다.

이 연구는 이온성 액체 전해질을 실제 고에너지밀도 리튬금속이차전지에 적용해 높은 안전성과 장 수명실현의 가능성을 강조했다.

위의 그림은 EMI와 Pyr14 이중 양이온을 적용한 이온성 액체 전해질 (HEIL)과 NaPF6가 첨가된 이중 양이온 액체 전해질(NaEIL)을 사용한 리튬금속이차전지의 전기화학적 특성 평가 결과이다.

NaPF6가 첨가된 이중 양이온 이온성 액체 전해질(NaEIL) 리튬금속전지는 1500사이클까지 80%가 넘는 용량 유지율을 보이며 저온인 0도에서도 150mAh/g 이상의 높은 용량확보가 가능해졌다.

이러한 연구 결과는 우수성을 인정받아 에너지 및 소재 분야 상위 1% 저널인 〈Energy & Environmental Science〉에 출판됐다.