4배 빠른 충전속도로 흑연 음극 이론 용량 획득
4배 빠른 충전속도로 흑연 음극 이론 용량 획득
  • 함예솔
  • 승인 2020.09.15 15:35
  • 조회수 913
  • 댓글 0
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배터리의 화재위험은 줄이고 충전속도를 높이기 위한 기초연구 성과가 국제학술지를 통해 소개됐습니다. 충남대학교 응용화학 공학과 송승완 교수 연구팀은 리튬이온 이차전지의 충전속도를 4배 이상 향상시킬 수 있는 고안전성 계면제어 기술을 개발했습니다. 이번 연구는 <ChemSusChem>에 게재됐습니다.

 

 20시간 이상 충전해야

 

전기자동차와 에너지스토리지시스템(ESS) 시장이 확대되는 가운데 리튬이온전지의 에너지밀도와 충전속도를 높여 주행거리와 저장 용량을 향상시키려는 노력이 활발한데요.

전기차 배터리 충전이 최대 5배 이상 빨라질 전망입니다. 출처: fotolia
리튬이온전지의 수명과 안전성을 좌우하는 전극 표면보호층 (SEI)의 안정성을 높이려는 연구가 활발. 출처: fotolia

특히 리튬이온전지의 수명과 안전성을 좌우하는 전극 표면보호층(SEI)의 안정성을 높이려는 연구가 활발합니다. 전해액 소재 조절을 통해 전극 표면보호층을 안정화시키거나 불연성 또는 난연성 전해액을 개발함으로써 화재 위험을 줄이려는 겁니다. 

  • 표면보호층(SEI, Solid Electrolyte Interphase) 

리튬이차전지 작동시 전해액 분해로 인해 전극 표면에 형성되는 보호층입니다. 음극과 양극 표면을 전기화학적으로 안정화합니다. 표면보호층 형성과 안정성은 전해액 조성에 의해 제어될 수 있으며 리튬이온 이차전지의 장수명과 안전성 확보를 위한 필수요소입니다. 

하지만 리튬이온전지에 통상 사용되는 흑연음극의 경우 기존 전해액하에서 표면보호층이 비균일하거나 두껍게 형성될 수 있고 표면보호층 자체가 저항으로 작용하여 충전 속도와 용량을 낮추는 한계가 있었습니다. 결국 흑연음극의 이론 용량(372 mAhg-1) 에 도달하려면 20시간 이상 충전해야 했습니다. 

 

기존보다 4배 이상 빠르게 충전

 

이에 연구팀은 새로운 유기계 불연성 전해액을 이용해 얇고 안정적인 낮은 계면저항을 갖는 표면보호층을 흑연음극 표면에 구축, 기존보다 4배 이상 빠르게 흑연음극을 충전하는 데 성공했습니다.

신규 불연 전해액을 적용한 리튬이온 이차전지용 흑연 음극의 SEI(계면) 안정화 효과. 출처: 한국연구재단
신규 불연 전해액을 적용한 리튬이온 이차전지용 흑연 음극의 SEI(계면) 안정화 효과. 출처: 한국연구재단

빠른 충방전 속도로 흑연음극의 이론용량급인 370 mAhg-1을 획득했고 안정한 충방전 사이클 성능을 획득했습니다.

 

기존에도 난연성 전해액 첨가제가 사용되나 흑연 음극과의 계면호환성이 낮은 경향 때문에 안전성은 향상되나 성능은 약화되는 문제가 있었습니다. 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 겁니다. 

 

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 사례입니다. 기존 리튬이온 이차전지에도 바로 적용 가능하며 이를 통해 전기 자동차의 충전속도 증가가 기대됩니다. 


##참고자료##

 


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