고전압 충전 시 수명 2.8배 연장·폭발 위험 저감…항공·ESS 적용 가능성도 제시
전기차 배터리의 수명을 크게 늘리면서도 안전성을 강화할 수 있는 새로운 형태의 전해질 소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다.
기존 고전압 충전에서 발생하던 활성산소 문제를 근본적으로 차단하는 기술로, 전기차뿐 아니라 항공우주 및 대형 에너지저장장치(ESS) 분야로의 확장 가능성도 주목받고 있다.
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 송현곤 교수 연구팀은 한국화학연구원 정서현 박사, 한국전자기술연구원 황치현 박사팀과 공동으로 ‘안트라센 기반 반고체 젤 전해질(An-PVA-CN)’을 개발했다고 5일 밝혔다.
최근 배터리팩 경량화와 주행거리 확대를 위해 4.4V 이상의 고전압 충전 기술이 확산되고 있다. 하지만 고전압 조건에서는 하이니켈 양극에서 산소가 활성화되며 반응성이 높은 활성산소가 생성되고, 이 활성산소는 전해질을 분해시켜 가스 팽창, 발열, 폭발 위험까지 초래한다.
연구팀이 개발한 전해질의 핵심 구성요소 안트라센(An) 은 활성산소를 직접 포획해 반응을 원천적으로 차단한다. 또 다른 성분인 니트릴(-CN) 작용기는 양극 내 니켈 금속 상태를 안정화해 입자 붕괴나 구조 변형을 방지한다.
연구팀은 동일 조건에서 기존 리튬이온 배터리와 개발 전해질 적용 배터리를 비교했다. 실험 결과에서도 차이가 뚜렷하게 나타났다.
기존 리튬이온 배터리는 고전압 충전 조건에서 약 180회 충·방전이 진행되자 초기 용량의 80% 이하로 떨어지며 사실상 수명이 다했다.
반면 새로 개발된 반고체 전해질을 적용한 배터리는 500회 이상의 충·방전 후에도 81% 수준의 용량을 유지했다.
연구팀은 이를 두고 “배터리 수명이 약 2.8배 연장된 것”이라고 평가했다.
송 교수는 “전극 표면에서 발생하는 활성산소 반응을 전해질 설계 단계에서 제어할 수 있다는 것을 입증했다”며 “이 기술은 장수명·고안전 배터리가 필요한 항공우주용 배터리, 대형 ESS에도 적용될 수 있다”고 설명했다.
연구 결과는 에너지 소재 분야 국제 저널 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스’ 지난달 5일 온라인판에 게재됐다.
