불연 전해액하에서 4배 빠른 충전속도로 흑연 음극 이론용량 획득- 리튬이온 이차전지의 안전성과 충전속도 향상 기대

불연 전해액하에서 4배 빠른 충전속도로 흑연 음극 이론용량 획득- 리튬이온 이차전지의 안전성과 충전속도 향상 기대

 

등록일 2020.09.11.

 

불연 전해액하에서 4배 빠른 충전속도로
흑연 음극 이론용량 획득
리튬이온 이차전지의 안전성과 충전속도 향상 기대

□ 배터리의 화재위험은 줄이고 충전속도를 높이기 위한 기초연구성과가 국제학술지를 통해 소개됐다.
○ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 송승완 교수(충남대학교 응용화학 공학과) 연구팀이 리튬이온 이차전지의 충전속도를 4배 이상 향상시킬 수 있는 고안전성 계면제어 기술을 개발했다고 밝혔다.

□ 전기자동차와 에너지스토리지시스템(ESS) 시장이 확대되는 가운데 리튬이온전지의 에너지밀도와 충전속도를 높여 주행거리와 저장용량을 향상시키려는 노력이 활발하다.
○ 특히 리튬이온전지의 수명과 안전성을 좌우하는 전극 표면보호층 (SEI)의 안정성을 높이려는 연구가 활발하다. 전해액 소재 조절을 통해 전극 표면보호층을 안정화시키거나 불연성 또는 난연성 전해액을 개발함으로써 화재위험을 줄이려는 것이다.
※ 표면보호층(SEI, Solid Electrolyte Interphase) : 리튬이차전지 작동시 전해액 분해로 인해 전극 표면에 형성되는 보호층. 음극과 양극 표면을 전기화학적으로 안정화한다. 표면보호층 형성과 안정성은 전해액 조성에 의해 제어될 수 있으며 리튬이온 이차전지의 장수명과 안전성 확보를 위한 필수요소이다.

□ 하지만 리튬이온전지에 통상 사용되는 흑연음극의 경우 기존 전해액하에서 표면보호층이 비균일하거나 두껍게 형성될 수 있고, 표면보호층 자체가 저항으로 작용하여 충전속도와 용량을 낮추는 한계가 있었다.
○ 결국 흑연음극의 이론용량(372 mAhg-1) 에 도달하려면 20시간 이상 충전해야 했다.

□ 이에 연구팀은 새로운 유기계 불연성 전해액을 이용해 얇고 안정적인 낮은 계면저항을 갖는 표면보호층을 흑연음극 표면에 구축, 기존보다 4배 이상 빠르게 흑연음극을 충전하는 데 성공했다.
○ 빠른 충방전 속도로 흑연음극의 이론용량급인 370 mAhg-1을 획득하였고 안정한 충방전 사이클 성능을 획득하였다.

□ 기존에도 난연성 전해액 첨가제가 사용되나 흑연 음극과의 계면호환성이 낮은 경향 때문에 안전성은 향상되나 성능은 약화되는 문제가 있었다.
○ 반면 연구팀은 흑연 음극과의 계면호환성이 좋은 불연성 전해액을 개발해 얇고, 안정하고, 낮은 계면저항을 가지는 표면보호층을 흑연 음극 표면에 구축하여 리튬이온 이차전의 안전성과 성능을 모두 높이고자 한 것이다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지화학분야 ‘캠서스캠(ChemSusChem)’온라인에 8월 2일 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 충남대 송승완>

논문명
Robust solid electrolyte interphase (SEI) enables near-theoretical capacity of graphite battery anode at 0.2C in propylene carbonate-based electrolyte
저 자
한지수(제1저자/충남대학교), 정경준(공동저자/충남대학교),
송승완 교수(교신저자/충남대학교)

1. 연구의 필요성
○ 최근 전기자동차와 ESS 시장이 급속히 확대되면서 현존 상용 리튬 이온 이차전지보다 빠르게 충전되는 고에너지밀도 이차전지의 필요성이 부각되고 있다. 또한 전기자동차와 ESS 화재 방지를 위해, 배터리 화재위험이 없거나 적은 불연 또는 난연 전해액 개발 또한 절실히 필요하다.
○ 상용 리튬이온 이차전지에는 흑연 음극이 사용되는데 현존 상용 EC계 전해액에 의해 흑연 음극 표면에 형성된 표면보호층(solid electrolyte interpahse(SEI)이 균일하지 않은 편이고 높은 저항체이기 때문에 느린 충전과 용량저하 및 반응 비가역성 등의 문제점을 갖고 있다. 따라서 20시간 이상 느리게 충전해야 이론용량에 가까운 용량을 얻을 수 있다.
※ 전해액: 리튬 이차전지에 사용하는 액체 전해질이며 리튬이온의 전도와 저장고 및 양극과 음극을 분리하는 중요한 역할을 한다. 상용 전해액은 리튬염과 카보네이트 용매로 이루어지며 불이 잘 붙는 가연성 물질이다. 불연 전해액은 상용 전해액과 유사한 조성을 가지지만 불이 붙지 않아 배터리 화재 위험성을 없앨 수 있다.
※ EC계 전해액 : Ethylene carbonate, ethyl methyl carbonate, LiPF6 리튬염을 포함하는 상용 전해액
※ SEI(Solid Electrolyte Interphase) : 리튬 이차전지 작동시 전해액 분해로 인해 음극과 양극 표면에 형성되는 리튬이온 전도성을 가지는 표면보호층. 음극과 양극 표면을 전기화학적으로 안정화하는 역할을 한다. 표면보호층 형성과 안정성은 주로 전해액 조성에 의해 제어될 수 있으며 리튬이온 이차전지의 장수명과 안전성 확보를 위한 필수요소이다.
○ 최근 리튬이온 이차전지를 오래 쓰기 위해 신규 고용량 과니켈 산화물 양극 소재 개발과 상용화가 활발한데, 고용량 양극소재와의 균형을 맞추기 위해서는 상용 음극소재의 고용량화도 필요하다. 또한 배터리를 안전하게 오래 쓰기 위해서는 전해액 개발을 통해 흑연 음극과 산화물 양극 양쪽 표면에 안정한 표면보호층 구축이 필요하다.
2. 연구내용
○ 연구팀이 보유한 원천기술인 PC계 불연 전해액을 흑연 음극에 적용 하여 얇고, 안정하고, 낮은 계면저항을 가지는 표면보호층을 흑연 음극 표면에 구축하여 기존 충전속도보다 4배 이상 빠르게 흑연 음극을 충전하였다.
※ PC계 전해액 : Propylene carbonate, fluorinated linear carbonate, LiPF6 리튬염을 포함하는 연구팀 개발 전해액
○ 이러한 빠른 충방전 속도 하에서 세계 최초로 흑연 음극의 이론 용량(372 mAhg-1) 급인 370 mAhg-1을 획득하였고 안정한 충방전 사이클 성능을 획득 하였다.
○ 이는 리튬이온 이차전지의 안전성과 충전속도를 동시에 향상시켜, 궁극적으로 전기자동차의 화재위험 제거와 빠른 충전을 가능케 하는 연구결과이다.
3. 연구성과/기대효과
○ 배터리 화재위험이 없는 불연 전해액 적용과 표면보호층 제어 및 안정화를 통해 리튬이온 이차전지의 우수한 성능을 내는 기술로서 흑연 음극의 용량과 리튬이온 이차전지의 에너지밀도 증가 뿐 아니라 이차전지 충전속도와 안전성을 동시에 향상한 최초의 사례이다.
○ 기존 리튬이온 이차전지에도 바로 적용 가능하며 이를 통해 전기 자동차의 충전속도 증가가 기대된다.

그림 설명

(그림) 신규 불연 전해액을 적용한 리튬이온 이차전지용 흑연 음극의 SEI(계면) 안정화 효과
신규 PC계 불연 전해액을 흑연 음극에 적용하여 균일하고, 얇고, 안정하고, 낮은 계면저항을 가지는 SEI를 흑연 음극 표면에 구축하여 기존 충전속도보다 4배 이상 빠른 속도에서 흑연 음극의 이론 용량과 안정한 충방전 사이클 성능 획득하였으며, 리튬이온 이차전지의 충전속도와 안전성 향상이 기대된다. 반면, EC계 상용 가연 전해액 사용시 비균일하고 불안정한 SEI 형성과 흑연 음극구조 퇴화로 인해 충방전 사이클 성능이 급속히 퇴화한다.
출처 : 충남대학교, 송승완 교수