12년 사용하는 리튬인산철 배터리 나온다… KAIST, 장수명 배터리 기술개발

기존 계면층 개념을 벗어난 전자전달과 이온전도가 가능한 양극 보호층 형성 기술

[인더스트리뉴스 정한교 기자] 에너지저장장치(ESS), 전기차 등 전세계 배터리 산업에서 리튬인산철(LFP) 배터리가 빠르게 확산되는 가운데, 국내 연구진이 전기차 주행 향상 및 배터리 수명도 늘려주는 기술을 개발했다.

국내 연구진이 리튬인산철 배터리가 적용된 전기차의 주행 향상 및 배터리 수명도 늘려주는 기술을 개발했다. [사진=gettyimage]

KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 최남순 연구팀이 저비용 리튬인산철 양극과 흑연 음극으로 구성된 리튬이온 이차전지의 상온 및 고온 수명 횟수를 늘린 전해질 첨가제 기술을 개발했다고 지난 16일 밝혔다.

리튬인산철 양극의 낮은 전자전도도 개선한 ‘전해질 첨가제’ 개발

1회 충전으로 500km 이상 운행할 수 있는 전기차 배터리는 700 Wh L-1 이상의 높은 에너지밀도를 가진 니켈리치 양극이 주도하고 있다. 하지만 니켈리치 양극의 높은 발열량 및 비싼 소재 단가가 주요 이슈로 등장하면서 올리빈 구조를 가진 리튬인산철(LiFePO4) 양극이 대안으로 주목받고 있다.

또한, 리튬인산철 양극은 다른 양극재와 비교해 저렴한 가격, 우수한 열 안정성, 우수한 사이클 수명 및 친환경성이라는 장점을 보유하고 있다. 이러한 리튬인산철 양극의 단점으로 지적되는 부분이 구조적으로 낮은 리튬이온의 확산 속도 및 낮은 전자전도 특성으로 인해, 특히 저온 및 높은 전류 밀도 조건에서 성능이 저하되는 한계를 가졌다는 점이다.

이에 안전한 전기차 보급 및 확대를 위한 다양한 기술개발이 진행됐고, 국내 연구진이 리튬인산철 양극의 단점을 극복할 수 있는 기술개발에 성공한 것이다.

연구팀은 리튬인산철 양극의 낮은 전자전도도를 개선한 전해질 첨가제를 개발했다. 기존 전해질 첨가제 연구는 주로 흑연 음극을 보호하기 위해 설계된다.

이로 인해 높은 이온전도도를 가짐과 동시에 전해질 부반응이 억제되고, 수지상 리튬(Li dendrite)이 성장하지 않게 하도록 낮은 전자전도도를 갖는 계면층을 형성시켰다.

그림 1. TMSBTA 첨가제가 형성하는 고체 전해질 계면막에 대한 디자인 모식도 [자료=KAIST]

하지만 연구팀이 개발한 전해질 첨가제는 흑연 음극을 보호함과 동시에 삼성분계 양극과는 달리 발열 특성이 낮아 셀 투 팩(Cell To Pack) 기술 도입 가능한 리튬인산철 양극을 보호하며, 양극 표면에서 전자전도도와 이온전도도의 균형을 맞추는데 성공했다. 이는 배터리 충·방전 횟수 증가에 따른 급격한 용량 감소 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술이다.

그림 2. TMSBTA 전해액 첨가제 도입 유무에 따른 리튬인산철 양극 및 흑연 음극 풀 셀 수명성능 그래프. a) 45도 고온 수명평가 b) 25도 상온 수명평가 c) 45도 고온 고속충전 수명평가 [자료=KAIST]

배터리 충·방전 횟수 증가에 따른 급격한 용량 감소 문제 해결

개발 기술은 일반적인 실험실 수준이 아닌, 기업에서 요구하는 수준의 높은 합재 밀도를 가진 흑연 음극과 리튬인산철 양극을 사용해 배터리의 상온 및 고온 장수명을 실현했다는 점과 저비용으로 극대화된 효율을 낼 수 있는 리튬인산철용 전해질 첨가제 디자인의 방향성을 제시했다는 점에서 그 의미가 크다.

그림 3. 고속 충전 과정 중 리튬인산철 양극의 원활한 탈리튬화 반응을 위해 TMSBTA 첨가제 형성한 전도성의 양극-전해질 계면막을 통한 전자 전잘 경로 모식도 및 개발된 첨가제가 사용되지 않은 리튬인산철 양극과 개발 첨가제를 적용한 리튬인산철 양극의 C-AFM 나노스케일 영상화 결과 [자료=KAIST]

이번 논문의 공동 제1 저자인 KAIST 생명화학공학과 문현규 연구원은 “개발된 전해질 첨가제는 내열성과 전도성이 우수한 전극 계면 층을 형성해 리튬인산철 양극과 흑연 음극으로 구성된 전지의 구동 온도인 45도 500회, 25도 1,000회 충·방전 후에도 각각 초기용량의 80.8%, 73.3%를 발현했다”며, “이는 첨가제가 없는 전해질과 비교해 각각 20.4%, 8.6% 향상된 수치”라고 말했다.

이어 그는 “현재 전기차용 전지가 약 10년 수명을 보장하므로 개발한 본 첨가제를 적용한다면, 10~20% 향상된 11년에서 12년 수명을 보장할 수 있을 것으로 기대할 수 있다”며, “리튬인산철 양극의 낮은 전자전도 특성을 개선해 고속 충전 조건에서도 효과가 있었다ˮ고 덧붙였다.

그림 4. 사용 전 양극과 기존 전해질 및 개발 전해질을 이용해 45도 500회 충방전 후 STEM 및 단면 양극입자 SEM 분석 결과 [자료=KAIST]

최남순 교수는 “이번 성과는 리튬인산철 양극을 보호하는 전해질 첨가제 기술로 이온전도와 함께 전자전달이 가능한 양극 계면층을 형성하는 것이 전해질의 상한한계전압보다 낮은 충전전압조건을 가진 배터리 성능을 확보하는 핵심기술”이라고 연구의 의미를 강조했다.

이어 최 교수는 “양산 수준의 전극 로딩 조건에서 상온에서부터 고온에 이르기까지 온도 내구성이 뛰어난 전극 계면층을 형성하는 전해질 첨가제 기술로 전기차 배터리 등에 활용이 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구에서 KAIST 최남순 교수와 문현규, 김동욱(現 LG에너지솔루션) 연구원은 전해질 시스템 개발과 실험적 원리 규명을 담당했다.

KAIST 홍승범 교수와 박건(現 LG에너지솔루션) 연구원은 전도성 원자현미경(C-AFM) 분석을 통해 전해질 첨가제가 적용된 리튬인산철 양극 표면에서의 전자전도도를 나노스케일로 영상화했다.

한편, 현대자동차의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 저명한 국제 학술지 ‘어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 5월 9일자로 온라인 공개됐다(논문명 : Balancing Ionic and Electronic Conduction at the LiFePO4 Cathode–Electrolyte Interface and Regulating Solid Electrolyte Interphase in Lithium-Ion Batteries).

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