[연구]전기차 리튬배터리 충전 15분이면 끝!​

< 사진 1. 왼쪽부터 생명화학공학과 송채은 박사과정, 최영우 석박사통합과정, 최남순 교수, 한승희 박사과정 >< 사진 2. 신소재공학과 홍승범 교수 >전기차(EV) 시장의 성장과 함께 리튬이온 배터리의 충전 시간을 단축하는 기술이 중요한 과제로 떠오르고 있다. 우리 연구진이 충전 속도가 상대적으로 느린 전기차 리튬 배터리의 혁신적 전해질 기술을 개발하여 충전 시간을 15분으로 단축시키는데 성공했다.우리 대학생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀과 협력 연구를 통해 새로운 전해질 용매 ‘아이소부티로니트릴(isoBN)’을 개발하여 배터리내 리튬 이온 이동을 극대화시키는 전략으로 전기차 배터리의 충전 시간이 상온에서 15분 내로 가능한 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.연구팀은 전해질 내에서 용매화(Solvation) 구조를 조절하는 전략을 개발했다. 이는 배터리의 핵심 요소인 음극 계면층(SEI, Solid Electrolyte Interphase)의 형성을 최적화하여 리튬이온 이동을 원활하게 하고, 고속 충전 시 발생하는 문제(리튬 전착, 배터리 수명 단축 등)를 해결하는 방식으로 리튬이온전지의 충전 속도를 향상시킬 수 있는 기반을 마련했다.< 그림 1. (좌측; a) 고속 충전 리튬이온 배터리의 isoBN 용매 기작 모식도. (우측; 상단 b) EC/DMC 및 isoBN/DMC 전해질의 점도 및 이온 전도도. (우측; 상단 c) 용매 분자가 Li+과 결합하는 결합 에너지. (우측; 하단 d) EC/DMC 및 isoBN/DMC 전해질의 솔베이션 구조 차이와 높은 충전 속도에서 isoBN 용매가 흑연 음극 계면층의 결정립 크기를 제어 및 리튬 금속 표면 전착을 억제하는 메커니즘. - EC/DMC : 1.15 M LiPF6 in EC/DMC + 5wt% FEC - isoBN/DMC : 1.15 M LiPF6 in isoBN/DMC + 5wt% FEC >기존 리튬이온전지 전해질에 사용되는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, 이하 EC) 전해액은 높은 점성(3.38 cP), 강한 용매화(Solvation) 특성, 큰 결정립으로 구성된 음극 계면층을 만들게 되어 고속 충전 시 리튬이온이 원활하게 이동하거나 흑연 음극 층상 구조로 들어가지 못한다.또한, 음극 계면층 위 또는 음극판 상단부(분리막과 접촉하고 있는 부분)에 금속 리튬이 전착(Li plating)된다. 이러한 전착 리튬은 충·방전이 불가능한 비가역적 리튬으로 배터리 수명 단축과 단락에 의한 화재 발생 위험을 높인다.< 그림 2. (상단; a) 프리사이클 동안 리튬이온배터리의 전압 곡선. (상단; b) 리튬이온배터리 첫 충전 시 전압에 따른 전해질 분해 곡선. (상단; c) 리튬이온배터리의 프리사이클 후 전지 저항 곡선. (하단; 좌측 d) ４C 충전 속도에서의 리튬이온배터리의 방전용량 (discharge capacity)과 쿨롱효율 (Coulombic efficiency) 그래프. (하단; 우측 e) ４C 충전 속도에서의 리튬이온배터리의 사이클 별 CC 및 CV 용량 비교. (하단; 우측 f) 저온 –10 도 에서의 율특성 그래프. (좌측; d)의 EC 기반 전해질 배터리는 4C의 고속 충전 시 특정 사이클 이후 지속적인 방전 용량의 감소와 함께 배터리의 열화가 나타나는 반면, isoBN 기반 전해질의 경우 용량 저하 현상 없이 안정적인 구동이 관측됨. (하단; f)의 EC 기반 전해질의 경우 저온에서의 급격한 충전 과전압 증가와 함께 충전 속도가 증가할수록 방전 용량이 급감하는 반면, isoBN 기반 전해질의 리튬이온배터리는 저온 고속 사이클임에도 안정적인 구동을 나타냄. >최남순 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 EC를 완전히 대체할 수 있는 새로운 전해질 용매인 아이소부티로니트릴(isobutyronitrile, 이하 isoBN)을 배터리 전해질에 도입해 리튬이온의 탈용매화 에너지를 감소시키고 음극 계면층의 결정립 크기를 감소시켜 저온 및 상온에서 고속 충전이 되는 배터리 전해질 기술을 제시했다.연구진은 리튬 이온과 약한 결합을 하는 isoBN 용매 도입을 통해 EC 전해질 대비 55% 낮은 점성(1.52 cP), 54% 높은 이온전도도(12.80 S/cm)를 가지는 고이온 전달성 전해질 시스템을 개발했다.연구 결과, isoBN 전해질은 리튬이온의 탈용매화 에너지를 크게 감소시켜 15분 고속 충전 300회 사이클에서도 음극 상단부에 비가역성 리튬전착 없이 94.2%의 매우 높은 용량 유지율을 나타냈다.연구진은 X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy)과 비행시간 이차이온 질량 분석(Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry) 등을 활용해 음극 계면층의 조성과 리튬이온의 이동 경로 등을 정밀 분석했다.< 그림 3. 4C 고속 충전 300 사이클 후 (a) EC/DMC, (b) isoBN/DMC 흑연 음극 전착 리튬량 비교 및 단면 SEM/EDS mapping 비교 분석. 4C 충전 전압 곡선 시뮬레이션 (c) EC/DMC, (d) isoBN/DMC. (e) 4C 충전 전압에 따른 음극 내부의 Li 농도 분포 시뮬레이션. >또한, 원자간력 현미경의 모드 중에서 전기화학적 변형 현미경(Electrochemical Strain Microscopy)을 활용해, 전해액 조성에 따라 리튬이온의 전도도가 달라지는 것과 음극계면층에서 리튬이온이 이동하는 것을 세계 최초로 영상화했으며, 전해질 조성이 음극 계면층 결정립 크기에 큰 영향을 주는 것을 밝혀냈다.이번 연구는 음극 계면층의 결정립 크기와 배열상태 및 전해질의 용매화 구조가 리튬이온전지의 고속 충전 시간에 영향을 주는 핵심 요소임을 보였다. 또한, 높은 결정성으로 저온에서 빠른 리튬이온의 이동이 불가능한 EC 용매를 저결정성-초저점도 isoBN 용매로 대체함으로써 상온 및 영하 10도에서 고속 충전이 가능해 전기차 배터리의 가장 큰 장해물인 충전 시간을 확 줄이는 기술로 평가된다.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.< 그림 4. (상단; a, b) EC/DMC와 isoBN/DMC의 프리사이클 후 흑연 음극 성분 ToF-SIMS 분석 및 음극 계면층 두께 비교. (중간; d-f) 프리사이클 후 리튬이 삽입된 흑연 음극의 ESM 분석을 통한 음극 계면층의 리튬 이온전도도 및 음극 계면층의 결정립 크기 비교. (하단; g) EC/DMC로 형성된 흑연 음극 계면층 및 isoBN/DMC로 형성된 흑연 음극 계면층 결정립 크기 차이와 리튬 이온 삽입 경로 모식도. >생명화학공학과 최남순 교수, 송채은, 한승희 연구원과 신소재공학과 홍승범 교수, 최영우 연구원이 공동 제 1저자로 진행한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 3월 11일 게재되며 그 혁신성을 인정받았다. (논문명 : Geometric Design of Interface Structures and Electrolyte Solvation Chemistry for Fast Charging Lithium-Ion Batteries, https://doi.org/10.1002/adma.202418773)한편 이번 연구는 한국산업기술기획평가원의 전기차 고출력 배터리 및 충전시스템 기술 개발사업과 한국연구재단의 나노·소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

[연구]‘기능성 탄소 보호층’을 통한 차세대 고성능 리튬-황 전지 개발​

< (왼쪽부터) 생명화학공학과 이진우 교수, 서울대학교 한정우 교수 >우리 대학 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 서울대학교 한정우 교수 연구팀, LG 에너지솔루션 미래기술연구센터와 공동연구를 통해 차세대 고성능 리튬-황 전지를 개발하는데 성공했다.리튬-황 전지는 차세대 이차전지 후보군 중 하나로, 상용 리튬이온전지에 사용되고 있는 양극 소재에 비해 황이 가볍고 가격이 저렴하면서도 많은 양의 에너지를 한 번에 저장할 수 있어, 무인기 및 드론과 같이 가볍고 오래 작동될 수 있는 응용분야에 필요한 핵심 기술로 손꼽히고 있다.하지만, 실질적으로 높은 수준의 에너지 밀도를 지닌 리튬-황 전지를 개발하기 위해서는 전지 내부에 들어가는 무거운 전해액의 사용량을 줄여야 하는데, 전해액 양이 줄어들면 양극에서 발생하는 황의 전기화학적 반응성이 대폭 줄어들어 높은 에너지를 지닌 리튬-황 파우치셀을 구현하는데 어려움이 있다.< 그림 1. 기능성 탄소 보호층 (PCL)의 도입에 따른 금속 나노 입자의 표면 안정성 향상과 전자교환 현상을 통한 질소 원자의 전자구조 변화 유도 모식도 (왼쪽). 기능성 탄소 보호층이 없는 경우, 금속 나노 입자 표면에서 발생하는 상변화 및 부반응 모식도 (오른쪽). >이진우 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 리튬황전지 양극에 추가되어 황의 전기화학적 반응성을 개선해줄 수 있는 금속 나노입자의 표면에 얇은 기능성 탄소 보호층을 도입함으로써, 양극에서 발생하는 황의 전기화학 전환 반응의 반응성과 수명 안정성을 대폭 향상시키는데 성공하였다. 이 탄소 보호층은 반응 생성물인 리튬 폴리설파이드와 금속 나노입자 간의 직접적인 접촉을 차단해 기존에 발생했던 부반응 및 상변화를 예방하여 수명을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 해당 탄소 보호층은 전자 전달에 도움이 되는 질소 원자가 첨가되어 있어, 금속 나노입자와의 전자교환이 원활히 이루어진다. 금속 입자의 종류를 제어함으로써, 탄소 보호층 내의 질소 원자의 최적화된 전자구조를 유도함으로써, 양극 반응성 또한 크게 향상시킬 수 있다.이번 연구에서 개발된 기능성 탄소 보호층을 양극 첨가제에 활용함으로써, A h 수준의 리튬-황 파우치셀에서 400 W h kg-1 수준의 에너지 밀도 (전지의 단위 무게 당 저장할 수 있는 총 에너지 양) 를 확보하는 성과를 거뒀다. 더욱이, 기능성 탄소 보호층 합성법이 간단하면서도 대량화에 적합해, 향후 적절한 후속 연구를 통해 리튬-황 전지 산업 분야에서 활용될 가능성도 열려있다.< 그림 2. 기능성 탄소 보호층이 도입된 코발트 금속 나노 입자 소재에 대한 투과 전자 현미경 이미지. 코발트 금속 나노입자 표면에 아주 얇은 기능성 탄소 보호층이 도포된 것을 확인할 수 있다. >생명화학공학과 이진우 교수는 “차세대 고성능 리튬-황 전지 개발을 위해서는 전지 내부에 제한된 전해액 사용량에도 황 전환 반응의 속도와 수명 안정성을 모두 높은 수준으로 확보하는게 핵심이다”고 설명하면서, “양극 기능성 소재의 전자구조 최적화 및 표면 안정성을 제어할 수 있는 기술을 개발하려는 노력이 지속되어야 한다”고 설명하였다.이번 연구결과는 이진우 교수 연구실의 김서아 박사, 임원광 박사, 그리고 한정우 교수 연구실의 정현정 박사가 공동 제 1저자로 참여하였으며, 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’에 2025년 2월 14일 字 온라인판에 게재됐다 (논문명: Protective catalytic layer powering activity and stability of electrocatalyst for high-energy lithium-sulfur pouch cell)

[연구]도심 항공 모빌리티는 리튬황전지로 세대교체 가능​

< (앞줄 왼쪽부터) 김일주 박사과정,김희탁 교수 (뒷줄 왼쪽부터) 김세진 박사과정, 신예원 석사과정, 김동우 석사과정, 조혜나 석사 >전기자동차 시장의 성장에 이어, 항공 교통을 연결하는 도심 항공 모빌리티(Urban Air Mobility, UAM) 시장이 배터리 산업의 새로운 전환점으로 주목받고 있다. 항공 모빌리티를 위한 에너지원으로는 쓰이는 기존 상용 리튬이온전지는 무게당 에너지밀도가 낮은 한계점이 있어 대학과 기업 공동연구진이 이를 극복할 차세대 기술로 활용될 혁신적인 리튬황전지를 개발해서 화제다.우리 대학 생명화학공학과 김희탁 교수팀이 LG에너지솔루션 공동연구팀과 협력 연구를 통해 배터리의 안정적 사용을 위해 전해액 사용량이 줄어든 환경에서 리튬황전지 성능 저하 원인을 규명하고, 이를 바탕으로 성능을 혁신적으로 개선할 수 있는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.중국 CATL社는 2023년 ‘응축 배터리(Condensed battery)’기술을 발표하며 항공용 배터리 시장을 준비하고 있음을 밝힌 바 있다. 이와 같은 흐름 속에서, 기존 리튬이온전지를 뛰어넘는 차세대 기술로 리튬황전지가 주목받고 있다. 리튬황전지는 기존 리튬이온전지 대비 2배 이상의 무게당 에너지밀도를 제공할 수 있어 UAM 시장의 게임 체인저로 평가받는다.그러나 기존 리튬황전지 기술은 배터리의 안정적 구동을 위해 많은 양의 전해액이 필요해 전지 무게가 증가하고, 결과적으로 에너지밀도가 감소하는 문제가 있었다. 더불어 전해액 사용량을 줄이는 희박 전해액 환경에서는 성능 열화가 가속화되는 한편, 퇴화 메커니즘조차 명확히 밝혀지지 않아 UAM용 리튬황전지 개발이 난항을 겪어 왔다.연구팀은 전해액 사용량을 기존 대비 60% 이상 줄이고도 400Wh/kg 이상의 에너지밀도를 구현하는 리튬황전지를 개발했다. 이는 상용 리튬이온전지보다 60% 이상 높은 에너지밀도를 가지며, 안정적인 수명 특성을 확보해 UAM용 배터리의 가장 큰 장애물을 극복한 것으로 평가된다.< 그림 1. KAIST-LGES FRL 리튬금속전지 기술 관련 인포그래픽 >연구팀은 다양한 전해액 환경을 실험하며, 성능 저하의 주요 원인이 전극 부식으로 인한 전해액 고갈임을 밝혀냈다. 이를 해결하기 위해 불소화 에테르 용매를 도입해 리튬 금속 음극의 안정성과 가역성을 높이고 전해액 분해를 줄이는 데 성공했다.생명화학공학과 김일주 박사과정 학생이 제 1저자로 참여한 이번 연구는 에너지 분야 최고 권위 학술지인 어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 게재되며 그 혁신성을 인정받았다.(논문 제목: Moderately Solvating Electrolyte with Fluorinated Cosolvents for Lean-Electrolyte Li-S Batteries,DOI: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202403828)< 그림 2. 전해액 설계 원리 >연구 책임자인 우리 대학 김희탁 교수는 “이번 연구는 리튬황전지에서 전해액 설계를 통한 전극 계면 제어의 중요성을 밝힌 의미 있는 연구로 대학과 기업의 협력을 통해 이루어진 대표적인 성공 사례로 UAM과 같은 차세대 모빌리티 배터리 상용화를 앞당기는 데 큰 진전을 이룰 것”이라고 말했다.KAIST와 LG에너지솔루션은 앞으로도 차세대 모빌리티를 위한 배터리 기술 협력을 강화해, 새로운 배터리 시장을 선도할 계획이다.< 그림 3. 기준 전해액 대비 최적 전해액 성능 >이번 연구는 2021년 KAIST와 LG에너지솔루션이 공동 설립한 ‘프론티어 리서치 랩(Frontier Research Laboratory)’에서 수행됐으며, 또한, 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

[연구]물로 차세대 리튬금속전지 750% 수명 연장시켜​

< (왼쪽부터) KAIST 신소재공학과 김일두 교수, 이지영 박사, 송현섭 박사 >리튬금속은 기존 상용 배터리의 성능 한계를 극복할 수 있는 차세대 음극으로 주목받아 왔다. 하지만, 리튬금속 자체 문제로 배터리의 수명을 단축하고 화재 위험을 초래하는 문제를 보여왔다. KAIST 연구진이 물만을 사용해서 기존 리튬금속 음극보다 수명이 약 750% 향상시키는 세계 최고 수준의 연구에 성공했다.우리 대학 신소재공학과 김일두 교수 연구진이 아주대 이지영 교수와 협력하여 친환경 공법으로 제조한 중공 나노섬유를 리튬금속보호막으로 사용해, 리튬의 성장을 안정화하고 차세대 ‘리튬금속전지’의 수명을 획기적으로 늘리는 데 성공했다고 2일 밝혔다.리튬 금속 표면에 보호막을 적용해 리튬금속과 전해액간의 계면을 인공적으로 조성하는 기존의 보호막 기술은 인체에 유해한 공정과 원가가 높은 재료를 필요로 하며 리튬금속음극의 수명을 높이는 데 한계가 있어왔다.< 그림 1. 물만을 사용한 친환경 전기방사 공정을 통한 중공 나노섬유 리튬 금속 보호막 제조 >김일두 교수 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 ‘리튬이온 성장을 물리적·화학적 방법으로 제어할 수 있는 중공 나노섬유 보호막’을 제시했다.이 보호막은 식물에서 추출한 친환경 고분자인 구아검(Guar gum)*을 주재료로 해, 물 만을 사용한 친환경적인 전기방사 공법**으로 제조됐다.*구아검: 구아검은 구아콩에서 얻어낸 천연 고분자 화합물로 다량의 단당류로 이루어진 구조를 가지고 있다. 단당류에 있는 산화관능기가 리튬이온과의 반응을 제어한다.**전기방사 공법: 전기방사는 고분자 용액에 전기장을 가하여 약 수십 나노미터에서 수 마이크로미터 사이의 직경을 가지는 고분자 섬유를 연속생산하는 공정이다.특히, 나노섬유 보호막을 적용해 전해액과 리튬 이온 간의 가역적인 화학 반응을 효과적으로 제어했다. 또한 섬유 내부의 빈 공간을 활용해서 리튬이온이 금속 표면에 무작위로 쌓이는 것을 억제함으로써 리튬금속 표면과 전해액 사이의 계면 안정화를 동시에 달성했다.이 보호막을 적용한 리튬금속 음극은 연구 결과, 기존 리튬금속 음극보다 수명이 약 750% 향상됐으며, 300회의 반복적인 충·방전에도 약 93.3%의 용량을 안정적으로 유지하는 세계 최고 수준의 성능을 달성했다.< 그림 2. 개발된 중공 나노섬유 보호막을 통한 리튬 수지상 결정의 물리적 및 화학적 제어 >연구진은 자연에서 얻어진 이 보호막이 흙에서 약 한 달 내에 완전히 분해됨을 입증해, 보호막의 제조에서 폐기에 이르기까지 전 과정이 친환경적인 특성을 증명했다.신소재공학과 김일두 교수는 “물리적·화학적 보호막 기능을 모두 활용했기 때문에 더욱 효과적으로 리튬금속과 전해액 간의 가역적인 반응을 유도하고 수지상 결정 성장을 억제해 획기적인 수명 특성을 가진 리튬금속음극을 개발할 수 있었다”고 밝혔다.< 그림 3. 개발된 중공 나노섬유 보호막이 적용된 리튬금속전지 완전셀의 성능 >이어, “급증하는 배터리 수요로 인해 배터리 제조와 폐기로 인한 환경부하 문제가 심각하게 대두되고 있는 상황에서, 물만을 사용한 친환경적인 제조 방법과 자연 분해되는 특성은 차세대 친환경 배터리의 상용화에 큰 기여를 할 것이다”고 말했다.< 그림 4. 개발된 중공 나노섬유 보호막의 우수한 자연분해 특성 >이번 연구 결과는 KAIST 신소재공학과 졸업생 이지영 박사(現 아주대학교 화학공학과 교수), 송현섭 박사(現 삼성전자)가 공동 제1 저자로 참여했으며, 국제 학술지 `어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 11월 21일 36권 47호에 표지논문(Front Cover)으로 선정됐다. (논문명 : Overcoming Chemical and Mechanical Instabilities in Lithium Metal Anodes with Sustainable and Eco-Friendly Artificial SEI Layer)< 그림 5. 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials) 24년도 11월 36권 47호 표지논문(Front Cover) 선정 이미지 >한편 이번 연구는 KAIST-LG에너지솔루션 프론티어 리서치 랩 (Frontier Research Lab, FRL), 산업통상자원부의 알케미스트 사업과 과학기술정보통신부의 탑-티어 연구지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

[연구]전해질 첨가제로 최초 장수명 배터리 기술 개발

< 생명화학공학과 최남순 교수 >1회 충전에 500km 이상 운행할 수 있는 전기자동차를 실현하기 위해서는 고에너지밀도 전지가 필수적이다. 팩 단위*에서 고에너지 밀도가 확보 가능하다는 장점이 있는 리튬인산철 양극은 낮은 전자전도도를 가져 계면층을 형성하기 어렵다는 단점이 있다. KAIST 연구진이 리튬인산철 양극의 낮은 전자전도도를 개선한 전해질 첨가제를 개발하여 화제다.*팩단위: 현재 전기차용 배터리는 단일 전지(Cell)를 적층하여 배터리 관리시스템(BMS)과 냉각장치가 포함된 모듈(Module)을 구성하고, 이를 다시 모아 관리시스템으로 구성한 팩(Pack)으로 구성되어 있음 우리 대학 생명화학공학과 최남순 연구팀이 저비용 리튬인산철 양극과 흑연 음극으로 구성된 리튬이온 이차전지의 상온 및 고온 수명 횟수를 늘린 전해질 첨가제 기술을 개발했다고 16일 밝혔다. 기존 전해질 첨가제 연구는 주로 흑연 음극을 보호하기 위해 설계돼 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 (좌측) 선형 주사 전압법(Linear Sweep Voltammetry, LSV) 분석을 통해 이중층 고체 전해질 계면막에 형성에 대해 확인할 수 있으며, 전해액의 산화 안정성을 확인할 수 있다. (우측) 전해질 첨가제인 TMSBTA의 전기화학적 분해 경향 파악을 위하여 전자 수용/공여 경향을 비교하였으며, 낮은 LUMO 에너지 준위를 갖는 TMSBTA 첨가제는 흑연 음극에서 분해하여 질소를 포함하는 고체전해질 계면막을 형성한다. 또한 높은 HOMO 에너지 준위를 가져 리튬인산철 양극 표면에서 분해하여 전자전도성과 이온전도성의 균형을 제어하는 양극-전해질 계면막을 형성할 수 있다. 그림의 중간에 표시된 바와 같이 TMSBTA 첨가제가 가진 산소 원자는 비공유 전자쌍에 의해 루이스 산인 PF5 물질을 비활성화시켜 미량의 수분에 의한 가수분해 반응을 차단한다. >이와 다르게 연구팀이 개발한 전해질 첨가제는 흑연 음극을 보호함과 동시에 삼성분계 양극*과는 달리 발열 특성이 낮아 셀 투 팩(Cell To Pack) 기술**도입 가능한 리튬인산철 양극을 보호하며 양극 표면에서 전자전도도와 이온전도도의 균형을 맞추는 데 성공했다. 이는 배터리 충·방전 횟수 증가에 따른 급격한 용량 감소 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술이다.*삼성분계 양극: LiNixCoyMn1-x-yO2(NCM) 화학식으로 표현되는 층상형 양극재의 한 종류로서, 니켈함량이 높을수록 양극 가역 용량이 높아져 배터리 용량을 증가시키나 발열량이 증가하고, 비가역적인 전극 열화에 취약한 한계를 가짐.**셀 투 팩 기술: 높은 안정성을 가진 리튬인산철 양극 사용하여 단일 셀로 팩을 구성하는 기술로 모듈을 생략하여 팩 단위에서 높은 에너지밀도를 가짐. 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 크다고 하겠다.< 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. >이번 논문의 공동 제1 저자인 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 발현했으며, 이는 첨가제가 없는 전해질과 비교하여 각각 20.4%, 8.6% 향상된 수치이다. 현재 전기차용 전지가 약 10년 수명을 보장하므로 개발한 본 첨가제를 적용한다면 10~20% 향상된 11년에서 12년 수명을 보장할 수 있을 것으로 기대할 수 있다. 또한, 리튬인산철 양극의 낮은 전자전도 특성을 개선해 고속 충전 조건에서도 효과가 있었다ˮ 라고 말했다.< 그림 3. 고속 충전 과정 중 리튬인산철 양극의 원활한 탈리튬화 반응을 위하여 TMSBTA 첨가제 형성한 전도성의 양극-전해질 계면막을 통한 전자 전잘 경로 모식도. 개발된 첨가제가 사용되지 않은 리튬인산철 양극과 개발 첨가제를 적용한 리튬인산철 양극의 C-AFM 나노스케일 영상화 결과. C-AFM 영상화 결과에서 보이듯이 개발 첨가제를 사용한 경우 3D 전류 신호가 비교적 높은 값을 가짐(초록색 부분이 증가함)을 확인할 수 있다. >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 핵심기술이다”라고 연구의 의미를 강조했다. 그뿐만 아니라 양산 수준의 전극 로딩 조건에서 상온에서부터 고온에 이르기까지 온도 내구성이 뛰어난 전극 계면층을 형성하는 전해질 첨가제 기술로 전기차 배터리 등에 활용이 기대된다고 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.< 그림 4. 사용 전 양극과 기존 전해질 및 개발 전해질을 이용하여 45도 500회 충방전 후 STEM 및 단면 양극입자 SEM 분석한 결과. 기존 전해질을 사용한 경우, 벌크 입자 자체의 형상도 크게 변화한 것을 확인할 수 있으며, 원자간 간격이 감소하고, 표면에 부산물이 두꺼운 부산물이 형성되었음을 확인할 수 있다. 이와는 다르게 개발 전해질을 사용한 경우 45도 500회 충방전 후에도 벌크 입자 뿐만 아니라 내부 격자 구조의 변화가 작음을 확인하였다. >한편 이번 연구는 저명한 국제 학술지 `어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈 (Advanced Functional Materials)'에 5월 9일 字로 온라인 공개됐다. (논문명 : Balancing Ionic and Electronic Conduction at the LiFePO4 Cathode–Electrolyte Interface and Regulating Solid Electrolyte Interphase in Lithium-Ion Batteries).한편 이번 연구 수행은 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다.

[연구]전해질 첨가제로 최초 장수명 배터리 기술 개발

< 생명화학공학과 최남순 교수 >1회 충전에 500km 이상 운행할 수 있는 전기자동차를 실현하기 위해서는 고에너지밀도 전지가 필수적이다. 팩 단위*에서 고에너지 밀도가 확보 가능하다는 장점이 있는 리튬인산철 양극은 낮은 전자전도도를 가져 계면층을 형성하기 어렵다는 단점이 있다. KAIST 연구진이 리튬인산철 양극의 낮은 전자전도도를 개선한 전해질 첨가제를 개발하여 화제다.*팩단위: 현재 전기차용 배터리는 단일 전지(Cell)를 적층하여 배터리 관리시스템(BMS)과 냉각장치가 포함된 모듈(Module)을 구성하고, 이를 다시 모아 관리시스템으로 구성한 팩(Pack)으로 구성되어 있음 우리 대학 생명화학공학과 최남순 연구팀이 저비용 리튬인산철 양극과 흑연 음극으로 구성된 리튬이온 이차전지의 상온 및 고온 수명 횟수를 늘린 전해질 첨가제 기술을 개발했다고 16일 밝혔다. 기존 전해질 첨가제 연구는 주로 흑연 음극을 보호하기 위해 설계돼 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 (좌측) 선형 주사 전압법(Linear Sweep Voltammetry, LSV) 분석을 통해 이중층 고체 전해질 계면막에 형성에 대해 확인할 수 있으며, 전해액의 산화 안정성을 확인할 수 있다. (우측) 전해질 첨가제인 TMSBTA의 전기화학적 분해 경향 파악을 위하여 전자 수용/공여 경향을 비교하였으며, 낮은 LUMO 에너지 준위를 갖는 TMSBTA 첨가제는 흑연 음극에서 분해하여 질소를 포함하는 고체전해질 계면막을 형성한다. 또한 높은 HOMO 에너지 준위를 가져 리튬인산철 양극 표면에서 분해하여 전자전도성과 이온전도성의 균형을 제어하는 양극-전해질 계면막을 형성할 수 있다. 그림의 중간에 표시된 바와 같이 TMSBTA 첨가제가 가진 산소 원자는 비공유 전자쌍에 의해 루이스 산인 PF5 물질을 비활성화시켜 미량의 수분에 의한 가수분해 반응을 차단한다. >이와 다르게 연구팀이 개발한 전해질 첨가제는 흑연 음극을 보호함과 동시에 삼성분계 양극*과는 달리 발열 특성이 낮아 셀 투 팩(Cell To Pack) 기술**도입 가능한 리튬인산철 양극을 보호하며 양극 표면에서 전자전도도와 이온전도도의 균형을 맞추는 데 성공했다. 이는 배터리 충·방전 횟수 증가에 따른 급격한 용량 감소 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술이다.*삼성분계 양극: LiNixCoyMn1-x-yO2(NCM) 화학식으로 표현되는 층상형 양극재의 한 종류로서, 니켈함량이 높을수록 양극 가역 용량이 높아져 배터리 용량을 증가시키나 발열량이 증가하고, 비가역적인 전극 열화에 취약한 한계를 가짐.**셀 투 팩 기술: 높은 안정성을 가진 리튬인산철 양극 사용하여 단일 셀로 팩을 구성하는 기술로 모듈을 생략하여 팩 단위에서 높은 에너지밀도를 가짐. 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 크다고 하겠다.< 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. >이번 논문의 공동 제1 저자인 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 발현했으며, 이는 첨가제가 없는 전해질과 비교하여 각각 20.4%, 8.6% 향상된 수치이다. 현재 전기차용 전지가 약 10년 수명을 보장하므로 개발한 본 첨가제를 적용한다면 10~20% 향상된 11년에서 12년 수명을 보장할 수 있을 것으로 기대할 수 있다. 또한, 리튬인산철 양극의 낮은 전자전도 특성을 개선해 고속 충전 조건에서도 효과가 있었다ˮ 라고 말했다.< 그림 3. 고속 충전 과정 중 리튬인산철 양극의 원활한 탈리튬화 반응을 위하여 TMSBTA 첨가제 형성한 전도성의 양극-전해질 계면막을 통한 전자 전잘 경로 모식도. 개발된 첨가제가 사용되지 않은 리튬인산철 양극과 개발 첨가제를 적용한 리튬인산철 양극의 C-AFM 나노스케일 영상화 결과. C-AFM 영상화 결과에서 보이듯이 개발 첨가제를 사용한 경우 3D 전류 신호가 비교적 높은 값을 가짐(초록색 부분이 증가함)을 확인할 수 있다. >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 핵심기술이다”라고 연구의 의미를 강조했다. 그뿐만 아니라 양산 수준의 전극 로딩 조건에서 상온에서부터 고온에 이르기까지 온도 내구성이 뛰어난 전극 계면층을 형성하는 전해질 첨가제 기술로 전기차 배터리 등에 활용이 기대된다고 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.< 그림 4. 사용 전 양극과 기존 전해질 및 개발 전해질을 이용하여 45도 500회 충방전 후 STEM 및 단면 양극입자 SEM 분석한 결과. 기존 전해질을 사용한 경우, 벌크 입자 자체의 형상도 크게 변화한 것을 확인할 수 있으며, 원자간 간격이 감소하고, 표면에 부산물이 두꺼운 부산물이 형성되었음을 확인할 수 있다. 이와는 다르게 개발 전해질을 사용한 경우 45도 500회 충방전 후에도 벌크 입자 뿐만 아니라 내부 격자 구조의 변화가 작음을 확인하였다. >한편 이번 연구는 저명한 국제 학술지 `어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈 (Advanced Functional Materials)'에 5월 9일 字로 온라인 공개됐다. (논문명 : Balancing Ionic and Electronic Conduction at the LiFePO4 Cathode–Electrolyte Interface and Regulating Solid Electrolyte Interphase in Lithium-Ion Batteries).한편 이번 연구 수행은 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다.

[연구]세계 최고 수준 리튬 금속배터리 용매 개발

< (왼쪽부터) 생명화학공학과 최남순 교수, 김세훈 박사과정 >휴대용 전자기기 및 전기차 등에 적용해 1회 충전에 많은 에너지를 저장하고 오래 사용할 수 있는 고 에너지밀도 이차전지 개발의 중요도가 커지고 있다. 한국 연구진이 리튬 이차전지의 에너지 밀도를 높이고 고전압 구동시 안정성을 높여줄 용매를 개발하여 화제다. 우리 대학 생명화학공학과 최남순 교수팀이 UNIST 화학과 홍성유 교수팀, 서울대 화학생물공학부 이규태 교수팀, 고려대 화공생명공학과 곽상규 교수팀, 경상국립대 나노·신소재공학부 고분자공학전공 이태경 교수와 공동연구를 통해 4.4V의 높은 충전 전압에서 리튬 금속전지의 효율과 에너지를 유지하는 세계 최고 수준의 전해액 조성 기술을 개발했다고 19일 밝혔다. 공동연구팀은 기존에 보고되지 않은 용매를 새롭게 디자인하고 합성해 전해액 주 용매로 사용했으며 전극-전해액 계면을 안정화하는 첨가제 기술과의 조합을 통해 리튬 금속전지의 고전압 수명 성능 및 고속 충전 특성을 획기적으로 높이는 데 성공했다.리튬 금속전지를 오랜 시간 사용하기 위해서는 전해액의 이온 전달 성능뿐만 아니라 전극 표면을 보호하는 것이 필수적이다. 전자를 주는 성질이 강한 리튬금속 음극과 전자를 빼앗으려는 고전압 양극에 접촉하고 있는 전해액이 분해되지 않도록 전극과 전해액 사이에 보호층을 형성시켜야 한다. 최남순 교수 연구팀은 구동할 수 있는 상한 전압의 한계가 있는 용매들과는 달리 높은 충전 전압에서 안정적으로 사용할 수 있는 새로운 용매를 합성하는 데 성공했으며 이를 첨가제 기술과 접목해 현저하게 향상된 *가역 효율(상온 200회 99.9%)을 달성했다. 또한, 완전 충전-완전 방전 조건에서 첫 사이클 방전용량 대비 200사이클의 방전용량으로 용량 유지율을 측정하는데 개발된 전해액 기술은 리튬 대비 4.4V 높은 충전 전압 조건에서 다른 전해액보다 약 5% 정도 높은 75.0%의 높은 방전용량 유지율을 보였다.☞ 가역 효율: 매 사이클마다 전지의 방전용량을 충전용량으로 나누어 백분율로 나타낸 값으로 배터리의 가역성을 의미함. 가역 효율이 높을수록 매 사이클마다 배터리 용량 손실이 적음을 의미함. 아무리 높은 용량을 구현하는 배터리라도 가역성이 높지 않다면 실용화가 어려움.< 그림 1. (상단; a) TFSPP 합성 메커니즘 및 용매 사진, (하단; b) 리튬금속전지의 고전압 구동을 위한 전해액 설계 방식 제안 - DME : 1,2-dimethoxyethane - FSI- : Bis(fluorosulfonyl)imide anion - TFSPP : 1-((trifluoromethyl)sulfonyl)piperidine - LiDFBP : Lithium difluoro(bisoxalato) phosphate - LiNO3 : Lithium nitrate - HOMO : Highest occupied molecular orbital - LUMO : Lowest unoccupied molecular orbital >연구팀이 이번 연구에서 세계 최초로 합성 및 보고한 *환형 설폰아마이드 계열 용매인 TFSPP(1-(trifluoromethyl)sulfonyl)piperidine)는 기존에 사용되는 용매보다 우수한 고전압 안정성을 가져 전지 내부 가스 발생을 억제할 수 있음을 확인했다.☞ 환형 설폰아마이드 용매: 질소원자 1개원 탄소원자 5개로 구성된 6원자 고리구조와 리튬염 구조를 모방한 작용기를 연결하여 제조되었으며 기존 에테르계 유기용매와 비교하여 3배 이상 높은 열안정성을 가짐. 또한, 상온에서 액체상태이며 리튬염을 녹일수 있는 용매임. 불에 잘 타는 일반적인 유기용매와는 달리 불에 타는 성질이 낮은 리튬염의 음이온 구조가 포함되어 있어 전해액의 발화 가능성을 낮출 것으로 기대됨.< 그림 2. 전해액 조성 별 Li/Li 셀 사이클에 따른 실시간 광학 현미경 분석. (상단; a) 저농도 전해액, (하단; b) 개발 전해액 조성 (상단; a)의 저농도 전해액의 경우 불안정한 전극-전해질 계면 형성으로 인해 지속적인 전해액과 리튬금속 음극 간의 반응이 일어나 사이클 초기부터 수지상 리튬의 형성이 관측됨. 반면 (하단; b)의 개발 전해액의 경우 안정적인 전극-전해질 계면 형성으로 인해 전해액과 리튬금속 음극 간의 지속적인 반응이 억제되고 이에 따라 반복적인 사이클 과정에서 수지상 리튬의 형성 억제가 확인됨. >또한, 연구팀은 두 가지 이온성 첨가제를 도입하여 리튬 금속 음극에 형성된 보호층이 부피 변화를 견디도록 설계했다. 이에 더해, 연구팀은 전자 방출 경향성이 높은 첨가제를 적용해 양극 표면에 보호층을 형성해 양극의 구조 안정성을 향상시켰다. 개발된 새로운 구조의 고전압 용매는 전극을 보호하는 첨가제와 함께 시너지 효과를 이끌어 고전압 리튬 금속전지 성능을 극대화했다는 점에서 그 의미가 크다.이번 논문의 공동 제1 저자인 우리 대학 생명화학공학과 김세훈 박사과정은 “용매와 첨가제의 조합 기술을 통해 실용화가 가능한 리튬 금속전지용 용매 조성 프레임을 개발했으며 전지의 사용기간을 연장하는, 보다 안정적인 전극-전해액 계면층을 형성하는 새로운 전해액 조성 기술을 개발했다”라고 말했다.< 그림 3. 전해액 조성에 따른 Li/NCM811 풀 셀의 방전용량 (discharge capacity)과 가역효율 (쿨롱효율, Coulombic efficiency) 그래프 (25도 구동). 본 연구를 통해 개발된 전해액 조성 (신규 합성 환형 설폰아마이드 용매 도입 + 반응형 첨가제 조합은 4.4 V의 고전압 구동에도 불구하고 상온 (25도) 200회 충·방전 후 기존 용량의 75.0%의 높은 용량 유지율을 보여주었다. >최남순 교수는 “새로운 구조로 디자인된 TFSPP 용매는 기존 용매에 비해 열적 및 고전압 안정성이 매우 우수하고 전지 구동 중 전해액 분해를 최소화해 전지 내압 상승요인인 가스 발생을 억제하는 전해액 용매”임을 강조하며 “TFSPP를 주 용매로 사용해 전지의 고온 안정성을 개선했으며 본 연구팀 고유기술인 다중층 전극-전해액 보호층 형성을 통해 안정화함으로써 고전압 리튬 금속전지 실용화를 위한 전해액 설계에 있어서 새로운 이정표를 제시했다”라고 연구의 의미를 덧붙였다. 우리 대학 생명화학공학과 최남순 교수, 김세훈, 송채은, 이동현 연구원과 UNIST 화학과 홍성유 교수, 전지환 연구원, 서울대 화학생물공학부 이규태 교수, 박교빈, 송가원 연구원, 고려대 화공생명공학과 곽상규 교수, 권성현 연구원, 유승호 교수, 현재환 연구원, 그리고 경상국립대 나노·신소재공학부 고분자공학전공 이태경 교수가 진행한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’에 3월 6일 字로 온라인 공개됐다. (논문명 : Electrolyte Design for High-Voltage Lithium-Metal Batteries with Synthetic Sulfonamide-Based Solvent and Electrochemically Active Additives)< 그림 4. (상단; a, b) Li|NCM811 풀 셀 130 사이클 후 리튬금속 음극 단면 SEM 분석. a, 저농도 전해액, b, 개발 전해액. (중간; c, d) Li|NCM811 풀 셀 130 사이클 후 NCM811 양극 단면 SEM 분석. c, 저농도 전해액, d, 개발 전해액. (하단; e, f) Li|NCM811 풀 셀 130 사이클 후 NCM811 양극 STEM 분석. e, 저농도 전해액, f, 개발 전해액. (상단)의 저농도 전해액의 경우 불안정한 전극-전해질 계면 형성으로 인해 전해액과 리튬금속 음극 간의 지속적인 부반응이 일어나 전해액 소진 및 이에 따른 두꺼운 비활성 Li과 음극 보호막 층 (부산물 층)이 다공성 구조를 가지며 형성됨. 반면, 개발 전해액 조성의 경우 안정적인 전극-전해질 계면 형성으로 인해 부반응이 최소화되어 비교적 얇은 부산물 층이 형성되고 활성 Li 층이 초기 상태와 유사하게 보존됨. (중단) 저농도 전해액의 경우 불균일한 양극 보호막 형성으로 인해 NCM811 양극 표면과 입자 내부에 심한 균열이 발생했지만, 개발 전해액의 경우 이런 부분이 억제됨을 확인함. (하단) 저농도 전해액의 경우 사이클 과정에서 NCM811 양극의 지속적인 상전이가 나타나 상전이 구역이 두껍게 형성되었지만, 개발 전해액의 경우 사이클 과정에서 상전이가 거의 발생하지 않음을 확인함. >한편 이번 연구는 한국연구재단의 단계도약형 탄소중립 기술개발사업과 한국산업기술평가관리원의 산업기술 혁신사업의 지원을 받아 수행됐다.

[연구]4.55V 고전압 리튬이온전지 전해액 기술 개발​

< (왼쪽부터) 생명화학공학과 최남순 교수, 김세훈 박사과정, 이정아 박사과정 >전기차 시대의 가속화에 따라 1회 충전에 긴 주행거리를 가능하게 하는 고용량, 고에너지밀도 이차전지 개발과 더불어 빠르게 충전을 할 수 있는 고속 충전 기술 개발의 중요도가 커지고 있다.우리 대학 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 고전압 조건에서 리튬이온전지의 높은 효율과 에너지를 유지하고 고속 충전이 가능한 전해액 설계 기술을 개발했다고 6일 밝혔다. 개발된 전해액은 점도가 낮으면서 고전압에 안정적인 용매를 사용하였으며 안정적인 전극-전해질 계면 반응을 확보할 수 있는 첨가제 기술을 통해 리튬이온전지의 수명 특성을 획기적으로 향상시켰다. 최남순 교수 연구팀은 상용 리튬이온전지에 사용되고 있는 카보네이트 계열의 용매 대신 점도가 낮고 고전압 조건에서 안정적으로 작용할 수 있는 용매 조성 기술과 전극계면 보호 기술을 적용해 기존 연구 결과보다 현저하게 향상된 *가역 효율 (99.9% 이상)을 달성했다.☞ 가역 효율 : 매 사이클마다 전지의 방전용량을 충전용량으로 나누어 백분율로 나타낸 값으로 배터리의 가역성을 의미함. 가역 효율이 높을수록 매 사이클마다 배터리 용량 손실이 적음을 의미함. 아무리 높은 용량을 구현하는 배터리라도 가역성이 높지 않다면 실용화가 어려움. 또한, 첫 사이클 방전 기준 용량 대비 200 사이클에서의 방전 기준 용량까지를 용량 유지율 측정하였는데 개발된 전해액 기술은 고온 (45도)에서 4.5 V의 충전 전압 조건에서 89.9%의 높은 용량 유지율을 보였으며 4.53 V의 충전 전압 조건에서도 77.0%의 높은 용량 유지율을 보였다. 개발 전해액 조성의 경우 기존 상용 최고 수준 기술 대비 약 10~15% 이상의 높은 용량 유지율을 보여줬다. 뿐만 아니라, 4.55 V의 혁신적인 충전 전압 조건에서도 200회 사이클 후 61.7%의 높은 용량 유지율을 보여주는 등 우수한 수명 특성을 보여줬다.< 그림 1. (상단) 기준 전해액과 (하단) 개발 전해액 조성의 작동 메커니즘 모식도. DEC : diethyl carbonate, EB : ethyl butyrate, LiFMDFB : lithium fluoromalonato(difluoro)borate, FEC : fluoroethylene carbonate, HTCN : 1,3,6-hexanetricarbonitrile, TMSP : tris(trimethylsilyl) phosphite >이번 연구에서 개발된 전해액 설계 기술은 리튬 코발트 산화물 양극을 사용해 4.5 V 이상의 고전압 그리고 1.5C (45분 충전)의 빠른 충전 조건에서 극대화된 성능을 얻었다는 점에서 그 의미가 크다. 여기에 더해 60도 고온 저장에서도 저장 성능이 향상됨도 확인했다. 특히 고에너지밀도 리튬이온전지용 전해액 기준 프레임을 제시한 바, 이는 리튬이차전지 전해액 설계에서 새로운 기준이 될 것이라고 연구진은 설명했다.< 그림 2. 전해액 조성과 충전 전압에 따른 LiCoO2/graphite 풀 셀의 방전 용량 (discharge capacity)과 가역 효율 (쿨롱 효율, Coulombic efficiency) 그래프. (상단) 4.5 V 충전 구동, (중간) 4.53 V 충전 구동, (하단) 4.55 V 충전 구동. >이번 논문의 공동 제1 저자인 우리 대학 생명화학공학과 김세훈 박사과정은 “높은 산화안정성 및 저점도 특성을 가지는 용매 적용에 따른 고전압 안정성 및 고속 충전 특성 향상과 전해액 첨가제에 의한 안정적인 전극-전해질 계면 형성의 시너지 효과에 의해 기존에 보고된 리튬이온전지용 전해액 기술 개발의 한계를 뛰어넘는 기술을 개발하게 됐다ˮ라고 말했다. 또한, “상용 리튬이온전지에서 사용하는 수준의 높은 로딩의 리튬 코발트 산화물 양극을 사용하여 전지의 수명 특성을 극대화했기 때문에 산업에의 빠른 적용 및 향후 고에너지밀도 전지 시스템 설계에 있어 이정표로 작용할 수 있을 것이다”라고 전했다.< 그림 3. 기준 전해액 조성과 개발 전해액 조성의 LiCoO2/graphite 풀 셀 200 사이클 후 LiCoO2 양극과 graphite 음극 표면 SEM 이미지 >최남순 교수는 "개발된 전해액 기술은 상용 용매로 사용되고 있는 카보네이트 유기용매의 부족한 고전압 내구성을 에스테르 용매로 획기적으로 극복하였으며 이를 통해 배터리 충전과정에서 가스 발생을 최소화하는 고전압 전해액 시스템을 구축했다ˮ라고 말했다. 또한, "이러한 고전압 용매 조성과 전해액 첨가제 조합 기술은 리튬이온전지의 한계 에너지밀도를 끌어올리기 위한 전해액의 고전압화를 위한 돌파기술이라는 점에서 그 의미가 크다고 하겠다ˮ라고 연구의 의미를 강조했다.< 그림 4. 기준 전해액 조성과 개발 전해액 조성의 LiCoO2/graphite 풀 셀 200 사이클 후 LiCoO2 양극의 TEM 이미지 >이번 연구에서 생명화학공학과 최남순 교수와 김세훈, 이정아 연구원은 리튬이온전지의 고전압 구동을 위한 새로운 전해액 조성 기술을 개발하고 이에 대한 효과를 검증하였으며 작동 메커니즘을 규명하였다. 경상국립대학교 나노신소재융합공학과 (나노·신소재공학부 고분자공학 전공) 이태경 교수와 이동규, 손준수 연구원은 전해액 용매 및 첨가제의 작동 메커니즘을 계산화학을 통해 구체화하는 연구를 진행하였다. 이번 연구는 저명한 국제 학술지 `에이시에스 에너지 레터즈 (ACS Energy Letters)'에 1월 12일자로 발간되었으며 커버 논문으로 선정되었다 (논문명 : Designing Electrolytes for Stable Operation of High-Voltage LiCoO2 in Lithium-Ion Batteries). 이번 연구 수행은 삼성 에스디아이 (Samsung SDI)의 지원을 받아 수행됐다.< 그림 5. ACS Energy Letters 커버 이미지 >

[연구]세계 최고 전기차 이차전지 수명 획기적 연장​

< 사진 1. 생명화학공학과 최남순 교수 >전기차 시대의 가속화에 따라 1회 충전에 긴 주행거리를 가능하게 하거나 전 세계 평균 기온에 속하는 넓은 온도 범위(-20~60도)에서 충전과 방전을 할 수 있는 고용량, 고에너지밀도 이차전지 개발의 중요도가 커지고 있다.우리 대학 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 넓은 온도 범위에서 리튬금속 전지의 높은 효율과 에너지를 유지하는 세계 최고 수준의 전해액 기술을 개발했다고 4일 밝혔다. 개발된 전해액은 기존에 보고되지 않은 새로운 *솔베이션 구조를 형성했으며 안정적인 전극-전해질 계면 반응을 확보할 수 있는 첨가제 기술을 통해 리튬금속 전지의 수명 특성을 획기적으로 향상시켰다.☞ 솔베이션 구조 : 일반적으로 염(이온성 화합물) 농도가 낮은 전해액에서는 양이온이 전하를 띠지 않은 용매에 의해 둘러싸여 동심원의 껍질(Shell)을 형성하는데 이를 솔베이션 구조라고 함. 이러한 솔베이션 구조 개선 기술은 염 농도를 증가시키지 않고 배터리의 작동 온도 범위를 넓히는 매우 중요한 인자임. 최남순 교수 연구팀은 기존에 보고된 전해액 내 리튬 이온의 이동이 제한적이고 구동할 수 있는 온도 범위의 한계가 있는 전해액들과는 달리 넓은 온도 범위(-20~60도)에서 안정적으로 작용할 수 있는 용매 조성 기술과 전극계면 보호기술을 적용해 기존 연구 결과보다 현저하게 향상된 *가역 효율 (영하 20도 300회 99.9%, 상온 200회 99.9%, 고온 45도 100회 99.8%)을 달성했다.☞ 가역 효율 : 매 사이클마다 전지의 방전용량을 충전용량으로 나누어 백분율로 나타낸 값으로 배터리의 가역성을 의미함. 가역 효율이 높을수록 매 사이클마다 배터리 용량 손실이 적음을 의미함. 아무리 높은 용량을 구현하는 배터리라도 가역성이 높지 않다면 실용화가 어려움. < 그림 1. (상단) 전해액의 솔베이션 구조의 변화와 (하단) 개발 전해액 조성의 작동 메커니즘 모식도 >또한, 완전 충전-완전 방전조건에서 첫 사이클 방전 기준 용량 80%가 나오는 횟수까지를 배터리 수명으로 보고 있는데 개발된 전해액 기술은 상온(25도)에서 200회 충·방전 후에 첫 번째 사이클의 방전용량 대비 85.4%의 높은 방전용량 유지율을 보였다. 또한, 고온(45도)에서 100회 충·방전 후 91.5% 발현, 저온(영하 20도) 구동에서도 300회 충·방전 후 72.1% 발현하는 등 완전 충전-완전 방전조건에서 기존 상용 기술 대비 약 20% 높은 용량 유지율을 보여줬다. 이번 연구에서 개발된 새로운 솔베이션 구조를 가지는 전해액(partially and weakly solvating electrolyte; PWSE) 기술은 리튬 코발트 산화물 양극을 사용해 영하 20도에서 60도의 넓은 온도 범위에서 극대화된 성능을 얻었다는 점에서 그 의미가 크다. 여기에 더해 60도와 80도 고온 저장에서도 저장 성능이 유지됨도 확인했다. 특히 리튬금속 전지용 전해액 기준 프레임을 제시한바, 이는 리튬이차전지 전해액 시장에서 게임 체인저가 될 것이라고 연구진은 설명했다.< 그림 2. 전해액의 솔베이션 구조 모식도. (좌측) 저농도 전해액, (우측) 부분적 약한 용매화 전해액 (신규 보고 솔베이션 구조) >이번 논문의 공동 제1 저자인 우리 대학 생명화학공학과 김세훈 박사과정은 "새로운 솔베이션 구조에 의한 리튬 이온의 이동도 향상과 구동 온도 범위의 확장 그리고 전해액 첨가제에 의한 안정적인 전극-전해질 계면 형성의 시너지 효과에 의해 기존에 보고된 리튬금속 전지용 전해액 기술 개발의 한계를 뛰어넘는 기술을 개발하게 됐다ˮ라고 말했다. 최남순 교수는 "개발된 전해액 기술은 기존에 보고된 전해액들과는 달리 리튬이온을 끌어당기는 힘이 다른 두 개의 용매를 사용하여 리튬이온이 잘 이동하게 하고 전극 표면에서도 원하지 않는 부반응을 감소시키는 새로운 솔베이션 구조를 형성해 리튬금속 전지 구동 온도 범위를 넓힌 획기적인 시도ˮ라며 "이러한 솔베이션 구조 개선 기술과 전해액 첨가제에 의한 안정적인 전극-전해질 계면 형성의 시너지 효과는 고에너지 밀도 리튬금속 전지에서의 난제들을 효과적으로 해결하고 전해액 설계에 있어서 새로운 방향을 제시했다ˮ라고 연구의 의미를 강조했다.< 그림 3. 전해액 조성과 평가 온도에 따른 Li/LiCoO2 셀의 방전용량 (discharge capacity)과 가역효율 (쿨롱효율, Coulombic efficiency) 그래프. (상단) 영하 20도 구동, (중간) 25도 구동, (하단) 45도 구동 본 연구를 통해 개발된 전해액 조성 (부분적 약한 용매화 전해액 + 반응형 첨가제 조합; PWSE + LiFMDFB + AgNO3)은 4.4 V의 고전압 구동에도 불구하고 저온 (영하 20도) 300회 충·방전 후 기존 용량의 72.1%, 상온 (25도) 200회 충·방전 후 기존 용량의 85.4%, 그리고 고온 (45도) 100회 충·방전 후 기존 용량의 91.5%의 높은 용량 유지율을 보여주었다. >생명화학공학과 최남순 교수와 김세훈, 이정아, 김보근, 변정환 연구원과 경상국립대학교 나노신소재융합공학과 이태경 교수, UNIST 에너지화학공학과 강석주 교수, 백경은 연구원, 이현욱 교수, 김주영 연구원 진행한 이번 연구는 국제 학술지 `에너지 & 인바이론멘탈 사이언스 (Energy & Environmental Science)'에 9월 13일 字로 온라인 공개됐다 (논문명 : Wide-temperature-range operation of lithium-metal batteries using partially and weakly solvating liquid electrolytes). 한편 이번 연구 수행은 솔베이 스페셜티 폴리머즈 코리아 (Solvay Specialty Polymers Korea)의 지원과 ㈜후성으로부터 첨가제 합성 지원을 받아 수행됐다.< 그림 4. 전해액 조성 별 Li/Li 셀 사이클에 따른 실시간 광학 현미경 분석. (상단) 저농도 전해액, (중간) 부분적 약한 용매화 전해액 (PWSE), (하단) 개발 전해액 (부분적 약한 용매화 전해액 + 반응형 첨가제, PWSE + LiFMDFB + AgNO3) (상단)의 저농도 전해액의 경우 불안정한 전극-전해질 계면 형성으로 인해 지속적인 전해액과 리튬금속 음극 간의 반응이 일어나 수지상 리튬의 형성이 관측되며 (5번째 사이클) 7번째 사이클에서는 전기적 단락이 일어남. 반면 (하단)의 개발 전해액의 경우 안정적인 전극-전해질 계면 형성으로 인해 전해액과 리튬금속 음극 간의 지속적인 반응이 억제되고 이에 따라 수지상 리튬의 형성 또한 억제됨. 시각적으로도 20번째 사이클까지 수지상 리튬의 형성이 보이지 않음. >

[연구]최고 수준의 전기차 배터리 첨가제 기술 개발​

< 생명화학공학과 최남순 교수 >1회 충전에 500km 이상 운행할 수 있는 전기자동차를 실현하기 위해서는 고용량, 고에너지밀도 이차전지 개발이 필수적이다. 이에 높은 가역용량을 가지는 니켈리치 양극과 흑연보다 10배가량 높은 용량을 발현하는 실리콘 음극 물질이 차세대 리튬이온전지의 소재로 주목받고 있다. 하지만 기존 전해질 첨가제 연구는 기존 물질들의 스크리닝 기법을 통하여 시행착오를 거쳐 개발되기 때문에 시간과 비용이 많이 소모되어 신규 전극 소재에 대응하기 어려운 한계점을 보였다. 우리 대학 생명화학공학과 최남순 연구팀이 고려대 곽상규 교수팀, UNIST 홍성유 교수팀, 현대자동차, 한국화학연구원과 공동연구를 통해, 고용량 실리콘 기반 음극과 니켈리치 양극으로 구성된 리튬이온 이차전지의 상온 및 고온 장수명화를 가능하게 하는 전해질 첨가제 기술을 개발했다고 19일 밝혔다. 연구팀이 개발한 전해질 첨가제는 실리콘 기반 음극과 니켈 리치 양극의 저온, 상온 및 고온에서의 가역성을 증대시켜 배터리 충방전 횟수 증가에 따른 급격한 용량 감소 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술이다.< 그림 1. 고용량 전극 계면을 보호하는 APFS 첨가제의 디자인 모식도 >연구팀은 전해질 첨가제 설계 초기 단계부터 타겟으로 하는 양극과 음극에 적합한 작용기를 분자공학적 기법으로 조합하여 첨가제를 디자인하고 합성하는데 성공하였다. 디자인된 전해질 첨가제는 전자 수용 및 전자 공여 그룹의 전기화학적 반응에 의해 고용량 실리콘 기반 음극 및 니켈 리치 양극 표면에 고체전해질 계면막을 형성해 전지의 상온 및 고온 수명을 획기적으로 끌어올리는 데 성공했다. 개발 기술은 일반적인 실험실 수준이 아닌 기업에서 요구하는 수준의 높은 합재밀도를 가진 실리콘 기반 음극과 니켈 리치 양극을 사용하여 배터리의 저온, 상온 및 고온 장수명을 실현하였다는 점과 저비용으로 극대화된 효율을 낼 수 있는 전해질 첨가제 디자인의 방향성을 제시하였다는 점에서 그 의미가 크다.< 그림 2. APFS 전해액 첨가제 도입 유무에 따른 실리콘 기반 음극니켈리치 양극 풀 셀의 화성 충방전 미분용량(dQdV) vs. 전압 그래프 >이번 논문의 공동 제1 저자인 KAIST 생명화학공학과 문현규 연구원은 "개발된 전해질 첨가제는 내열성과 유연성이 우수한 전극 계면 층을 형성하여 전기차 구동 온도 45도에서 실리콘 기반 음극과 니켈 리치 양극으로 구성된 전지의 반복적인 300회 충방전 후에도 초기 용량의 72.5%를 발현가능했으며, 이는 기존에 사용되고 있는 첨가제인 비닐렌 카보네이트(VC), 플루오르에틸렌 카보네이트(FEC) 대비 각각 54%, 38% 향상된 수준이었다. 또한, 실리콘 음극 부피변화에 따른 전지 열화를 억제하여 희박 전해질 조건에서도 효과가 있었다ˮ 라고 말했다.최남순 교수는 “이번 성과는 기존 상용 첨가제들(VC, FEC)의 한계를 극복할 수 있는 전해질 첨가제 기술로, 물질 구조 디자인, 합성 및 계산화학을 통해 연구시간 및 비용을 줄이고 타겟 양극 및 음극 특성에 적합한 첨가제를 정확하게 개발해 내는 새로운 방향을 제시했다”라고 연구의 의미를 강조했다. 뿐만 아니라 양산 수준의 전극 로딩 조건에서 저온에서부터 고온에 이르기까지 온도 내구성이 뛰어난 전극 계면 층을 형성하는 세계 최고 수준의 전해질 첨가제 기술로서 전기차 배터리 등에 활용이 기대된다고 밝혔다.< 그림 3. 전해액 첨가제 도입 유무에 따른 SiG-CNCM811 풀 셀 수명성능 그래프. >이번 연구에서 KAIST 최남순 교수와 문현규, 남희범(現 현대자동차 연구원) 연구원은 전해질 시스템 개발과 실험적 원리 규명을 담당하였다. UNIST 홍성유 교수와 김민평, 전민호(現 한국화학연구원 연구원) 연구원은 디자인된 첨가제를 쉽게 얻는 합성법을 개발하였다. 고려대학교 곽상규 교수와 이승민, 김형준 연구원은 계산화학 시뮬레이션을 통해 음극 및 양극에서의 전해질 첨가제의 계면 층 형성 과정을 이론적으로 규명하였다. < 그림 4. (상단) VC와 APFS 첨가제가 공분해하여 형성하는 고분자 기반 SEI 성분인 벤젠-에테르 작용기는 SEI의 공간적 유연성 향상에 기여함. >한편 이번 연구는 저명한 국제 학술지 `어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈 (Advanced Functional Materials)'에 4월 4일 字로 온라인 공개됐다 (논문명 : Elastic Interfacial Layer Enabled the High-Temperature Performance of Lithium-Ion Batteries via Utilization of Synthetic Fluorosulfate Additive). 이번 연구 수행은 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다.