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LG에너지솔루션과 포항공과대(포스텍)dhk 성균관대가 공동연구를 통해 리튬이온전지의 저온 성능과 열안전성을 동시에 개선할 수 있는 전해질 핵심 기술 개발에 성공했다.
공동연구팀은 영하 20도의 환경에서도 100회 사이클 후 기존 전해질 대비 월등한 약 87%의 용량을 유지하고 열폭주를 약 90% 이상 억제할 수 있는 전해질 연구 개발에 성공했다고 20일 밝혔다.
이 연구 결과는 에너지 분야 최고 권위 학술지 ‘어드밴스드 에너지 마테리얼스’와 ‘저널 옵, 마테리얼스 케미스트리 A’에 게재됐다.
이번에 개발한 핵심 기술은 ‘알릴 트리메틸 포스포늄(APT)’계열 이온성 화합물을 활용한 전해질 기술이다.
이온성 화합물은 플러스와 마이너스 전하를 띠는 이온들이 자석처럼 강하게 결합해 만들어진 물질이다. 전해질 내에서 이온을 이동시켜 전류를 흐르게 하는 역할을 한다. 이 중 APT 계열 이온성 화합물은 단순 첨가제의 기능을 넘어 전해질의 동결점을 낮추고 계면 반응을 조절하는 다기능성 소재로 주목받고 있다.
공동연구팀은 이 물질을 전해질 내에 도입해 리튬이온전지의 성능 저하 주요 원인인 ‘저온 이온 이동 저하’와 ‘계면 불안정성’을 동시에 개선하는 데 성공했다.
‘어드밴스드 에너지 마테리얼스’에 게재된 연구에 따르면 APT 계열 이온성 화합물은 전해질의 혼합물이 특정 비율에서 녹는점을 낮춰 전해질의 점도를 낮추고 결과적으로 배터리가 영하의 극한 환경에서도 이온전도성을 안정적으로 유지할 수 있다.
실제 이 기술이 적용된 배터리 셀은 영하 20도의 악조건에서 100회 충·방전 후 약 87%의 높은 용량 유지율을 달성하며 저온 환경에서의 월등한 성능을 입증했다.
또한 ‘저널 오브 마테리얼스 케미스트리 A’에 게재된 후속 연구에서는 동일한 APT 계열 이온성 화합물을 고용량 실리콘 음극 전지에 적용해 열폭주를 약 90% 이상 억제하는 등 전지의 열안전성을 획기적으로 향상시켰다. 배터리 셀 발화 시 발생하는 발열량을 기존 대비 90% 낮춰 열 전이 속도를 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
이기라 포스텍 교수 연구팀은 “산업 현장의 기술 과제를 학문적으로 재해석해 실질적인 설루션으로 발전시킨 모범적인 산학협력 모델”이라고 평가했다.
박호석 성균관대 교수 연구팀은 “APT 이온성 화합물의 분자 설계 자유도를 활용하면 향후 전고체전지와 리튬금속전지로의 확장도 가능하다”고 말했다.
LG에너지솔루션 관계자는 “이번 연구는 하나의 이온성 화합물 플랫폼으로 성능과 안전성이라는 상충된 요구를 동시에 충족시킨 혁신적 사례”라며 “APT 기반 전해질 기술은 전기차뿐 아니라 항공·우주와 극저온 환경용 배터리 등 다양한 분야에서 새로운 고객가치를 제공할 수 있을 것”이라고 말했다.
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