[더팩트ㅣ최의종 기자] LG에너지솔루션과 POSTECH(포항공과대학교), 성균관대학교가 공동연구를 통해 리튬이온전지 저온 성능과 열안전성을 동시에 개선할 수 있는 전해질 핵심 기술 개발에 성공했다.
LG에너지솔루션은 공동연구팀이 영하 20°C 환경에서도 100회 사이클 후 기존 전해질 대비 월등한 약 87% 용량을 유지하고, 열폭주를 약 90% 이상 억제할 수 있는 전해질 연구 개발에 성공했다고 20일 밝혔다.
연구 결과는 에너지 분야 최고 권위 학술지 'Advanced Energy Materials'와 'Journal of Materials Chemistry A'에 게재됐다고 밝혔다. 핵심 기술은 '알릴 트리메틸 포스포늄(Allyl Trimethyl Phosphonium·APT)'계열 이온성 화합물을 활용한 전해질 기술이다.
이온성 화합물은 플러스와 마이너스 전하를 띠는 이온이 자석처럼 강하게 결합하여 만들어진 물질로, 전해질 내에서 이온을 이동시켜 전류를 흐르게 하는 역할을 한다. APT 계열 이온성 화합물은 전해질 동결점을 낮추고 계면 반응을 조절하는 다기능성 소재로 주목받는다.
전해질 내에 도입해 리튬이온전지 성능 저하 원인 '저온 이온 이동 저하'와 '계면 불안정성'을 개선하는 데 성공했다. 'Advanced Energy Materials'에 게재된 연구에 따르면 APT 계열 이온성 화합물은 배터리가 영하 극한 환경에도 이온전도성을 안정적 유지할 수 있다.
해당 기술이 적용된 배터리 셀은 영하 20°C 악조건에서 100회 충·방전 후 약 87% 높은 용량 유지율을 달성하며 저온 환경에서의 월등한 성능을 입증했다. 보통 배터리 셀의 경우 같은 조건에서 약 10% 안팎의 용량을 유지하는 것이 일반적이다.
'Journal of Materials Chemistry A'에 게재된 후속 연구에서는, 같은 APT 계열 이온성 화합물을 고용량 실리콘 음극 전지에 적용해 열폭주를 약 90% 이상 억제하는 등 전지의 열안전성을 획기적으로 올렸다.
배터리 셀 발화 시 발생하는 발열량을 기존 대비 90% 낮춰 열전이 속도를 크게 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있다. LG에너지솔루션 셀 제작·분석 인프라, POSTECH 이온성 화합물 합성 역량, 성균관대 계면 분석 기술이 결합한 협업의 결과물이다.
이기라 POSTECH 교수 연구팀은 "현장 과제를 학문적으로 재해석해 실질 설루션으로 발전한 모범적 산학협력 모델"이라고 평가했다. 박호석 성균관대 교수 연구팀은 "APT 이온성 화합물 분자 설계 자유도를 활용하면 향후 전고체 전지와 리튬금속 전지 확장도 가능하다"라고 했다.
LG에너지솔루션 관계자는 "하나의 이온성 화합물 플랫폼으로 성능과 안전성이라는 상충한 요구를 동시에 충족한 혁신적 사례"라며 "APT 기반 전해질 기술은 전기차뿐 아니라 항공·우주, 극저온 환경용 배터리 등 다양한 분야에서 새 고객가치를 제공할 수 있을 것"이라고 했다.
bell@tf.co.kr
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