리튬 금속 배터리 수명을 약 3배 늘리는 전해액을 국내 연구진이 새롭게 개발했다.

12일 울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 송현곤 교수팀과 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 서동화 교수팀이 리튬 금속 배터리 수명을 늘릴 수 있는 전해액을 개발했다고 밝혔다.

리튬 금속 배터리는 상용 배터리와 달리 흑연 대신 리튬 금속을 음극으로 쓰는 배터리다.

이론적으로 배터리 자체 용량을 두 배 가까이 키울 수 있지만, 리튬 금속이 전해액과 불필요하게 반응하면서 쓸 수 있는 용량이 급격히 줄어드는 단점이 있다. 특히 고전압으로 충전할 때 더욱 심해진다.

연구팀은 에틸렌카보네이트와 설폴레인 두 용매를 혼합해 고성능 전해액을 만들었다.

두 용매를 3대 7로 섞고, 리튬염과 전극 보호막을 안정화하는 소량의 첨가제를 더했다.

이 전해액을 적용한 하이니켈 양극 배터리는 25도에서 4.5V까지 충전하며 150회 충·방전한 뒤에도 초기 용량의 약 80%를 유지했다.

기존 탄산염계 전해액을 쓴 배터리는 약 50회 만에 초기 용량의 80% 이하로 떨어졌다.

원래 두 용매는 모두 리튬 금속 배터리에는 부적합하다고 여겨졌다. 리튬 이온은 자신을 둘러싼 용매 분자를 떼어내고 음극 표면에 리튬 금속 형태로 석출돼야 하는데, 두 용매 분자는 리튬 이온을 강하게 붙잡아 이 과정을 방해하기 때문이다.

리튬이 음극 표면에 불균일하게 쌓이면 보호막이 손상되기 쉽고, 전해액과 반응해 리튬이 소모되면서 배터리 용량이 줄어든다.

그러나 두 용매를 섞자 이들 분자끼리 서로를 끌어당기는 탓에 리튬 이온을 붙잡는 힘은 약해졌다.

연구팀은 이 같은 현상을 규명해 협동 용매화라고 명했다. 용매화는 용매 분자가 리튬 이온을 둘러싸는 현상으로, 협동 용매화에서는 두 용매가 서로 영향을 주며 리튬 이온과의 결합이 조절된다.

송현곤 교수는 "고가의 불소계 용매나 고농도 염에 의존하지 않고도 상용 용매를 이용해 전해액 성능을 높였다"며 "에너지저장장치(ESS)와 전기차에 쓰일 고용량 리튬 금속 배터리를 더 오래 사용하는 데 도움이 될 것"이라고 말했다.

산업통상자원부 한국산업기술기획평가원(KEIT)과 국가과학기술연구회(NST) 등의 지원을 받은 이번 연구 결과는 나노 과학 분야 국제 학술지 'ACS 나노'(ACS Nano)에 지난 8월 11일 게재돼 출판됐다.