KAIST 12년 사용 가능한 장수명 리튬인산철 배터리 개발
ESS, EV전기차 등 세계적으로 배터리에 대한 관심도가 높아지고 필요성도 증대되는 상황에서 KAIST에서 리튬인산철(LFP) 배터리의 수명을 늘려주는 기술을 개발했다.
KAIST 생명화학공학과 최남순 연구팀이 저비용 리튬인산철 양극과 흑연 음극으로 구성된 리튬이온이차전지의 상온 및 고온 수명 횟수를 늘린 전해질 첨가제를 개발했다고 밝혔다.
리튬 인산철 양극은 가격이 저렴하고 안전성이 높아 보급형 전기차 시장에서 각광을 받고 있는데 낮은 리튬 이온의 확산 속도와 전도도 때문에 에너지 밀도가 낮아 저온에서 성능이 크게 떨어지는 단점을 갖고 있었다.
KAIST 연구팀은 전해질 첨가를 통해 안정성을 높여 셀투팩 방식을 적용, NCM과 동등한 수준의 에너지 밀도를 확보 할 수 있다고 밝혔다.
고온인 45도에서 500회, 상온에서 천회 충방전 후에도 각각 초기 용량의 80.8%, 73.3%를 나타냈다.
이 개발은 일반적인 실험실 수준이 아닌 기업이 요구하는 수준 높은 에너지 밀도를 가진 양극 소재를 구현했다고 밝혔다.
전기차용 배터리의 수명이 약 8~10년 보장하므로, 이번에 개발한 첨가제를 적용한다면 10~20% 향상된 11~12년의 수명을 보장할 수 있다고 말했다.
기업에서 요구하는 수준의 높은 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 상당히 크다.
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 핵심기술”이라고 연구의 의미를 강조했다.
이어 최 교수는 “양산 수준의 전극 로딩 조건에서 상온에서부터 고온에 이르기까지 온도 내구성이 뛰어난 전극 계면층을 형성하는 전해질 첨가제 기술로 전기차 배터리 등에 활용이 기대된다”고 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.
한편, 현대자동차의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 저명한 국제 학술지 ‘어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 5월 9일자로 온라인 공개됐다(논문명 : Balancing Ionic and Electronic Conduction at the LiFePO4 Cathode–Electrolyte Interface and Regulating Solid Electrolyte Interphase in Lithium-Ion Batteries).
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