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Research

리튬 금속 음극의 수명과 안정성을 확보할 새로운 전해질 설계원리 규명

  • 조회. 295
  • 등록일. 2021.10.21
  • 작성자. 대외협력팀

DGIST 이홍경 교수·이호춘 교수 공동연구팀, 리튬 금속 음극의 장기 내구성 개선하는

유사 고농도 전해질 설계 원리 규명

미래 전기차 내구성 향상에 활용 기대돼

 


[(왼쪽부터)DGIST 에너지공학전공 이호춘 교수, 이홍경 교수, 조영성 석사과정생]

 

 DGIST(총장 국양) 에너지공학전공 이홍경 교수·이호춘 교수 공동 연구팀이 리튬 금속 음극의 성능을 확보할 수 있는 전해질 설계 원리를 규명했다. 이를 통해 설계된 유사 고농도 전해질은 기존 전해질보다 리튬 금속 음극의 수명을 늘릴 수 있어, 향후 전기자동차용 이차전지 개발에 긍정적인 영향을 줄 것으로 보인다.

 높은 이론 용량과 에너지 밀도를 갖는 리튬 금속 전극은 이차전지의 가장 이상적인 음극재다. 하지만 전지 수명 감소와 발화 등이 다양한 문제들이 해결해야 할 과제로 남아 있다. 이에 최근 유사 고농도 전해질이 리튬 금속 음극의 내구성을 크게 개선시킨다는 연구 결과가 보고됐지만, 유사 고농도 전해질의 효과가 전지가 실제 구동하는 온도범위인 영하20~ 60도 사이에서의 효과와 작용 기작에 대한 규명은 이뤄지지 않았다.

 이에 공동연구팀은 다양한 온도에서 유사 고농도 전해질이 리튬 금속 음극과 리튬 금속 이차전지의 장기수명을 내구성에 미치는 영향을 규명했다. 기존 고농도 전해질에 비해 유사 고농도 전해질 적용 시, 저온(5oC)과 고온(60oC)에서 리튬 금속 음극의 내구성이 크게 향상시켰으며, 리튬 금속 이차전지의 장기수명 또한 40%이상 증가시키는 것을 확인했다.

 추가적으로, 공동연구팀은 이차전지의 전기화학적 과전압과 리튬음극 계면의 열안정성 분석을 통해 유사 고농도 전해질이 보이는 개선 효과의 원인을 규명했다. 그 결과, 유사 고농도 전해질은 세 가지 과전압 성분이 모두 감소했으며, 특히 저온에서 과전압 감소 효과가 두드러졌고, 이로 인해 저온 내구성이 개선된 것을 확인했다.

 DGIST 에너지공학전공 이호춘 교수는 이번에 규명한 분석 결과는 리튬 금속 전지용 전해질의 설계의 지침이 될 수 있는 원천 기술이다향후 리튬 금속 음극을 사용하는 다양한 차세대 전지용 전해액 시스템 설계에도 적용할 수 있을 것이라 말했다.

 한편, 해당 연구는 DGIST 에너지공학전공 이홍경 교수와 이호춘 교수의 공동 연구를 바탕으로 DGIST 에너지공학전공 박기성 박사와 조영성 석사과정생이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 에너지 분야 저명 국제 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal’821() 온라인 게재됐으며, 해당 저널의 내년 1월호에 게재 예정이다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구실 지원사업, 우수 신진연구 지원사업, 그리고 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

 

 

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연구결과개요

 

Wide temperature cycling of Li-metal batteries with hydrofluoroether dilution of high-concentration electrolyte

Kisung Park, Youngseong Jo, Bonhyeop Koo, Hongkyung Lee, Hochun Lee

(Chemical Engineering Journal, on-line published on 21th August, 2021)

 

넓은 온도범위에서 안전하고, 안정하게 리튬 금속 전지를 구동하는 것은 실제 전기자동차 응용측면에서 필수 사항이다. 비록 최근 연구결과들에 의하면, 불소화 비용매를 사용한 유사 고농도 전해질을 적용하면, 리튬 금속 전지의 성능을 상당부분 개선할 수 있음이 보고되었지만, 넓은 온도범위에서의 효과는 알려진 바가 없었다.

본 연구는 넓은 온도범위 (-2060)에서 리튬 금속 전지의 안정한 구동 여부를 결정하는 전해질 인자들을 규명하였다. 구체적으로 LiFSI 리튬염과 DME 용매로 구성된 고농도 전해질과, 이 전해질에 불소화 비용매를 첨가한 유사 고농도 전해질을 비교하였다.

체계적인 전기화학 및 분광분석으로 통해, 첨가된 비용매가 고농도 전해질의 바람직한 용매화 구조를 그대로 유지하면서, 저온 환경에서 리튬 이온 이동은 촉진하는 순기능을 수행함을 확인하였다. 또한, 비용매는 리튬 음극계면에 우수한 특성의 보호막을 형성함으로써, 고온 조건에서 리튬 금속 전지의 내구성을 크게 향상시킴을 검증하였다. 이처럼, 비용매는 전해질의 물질이동을 촉진시키고, 열적으로 안정한 전극계면을 형성함으로써, 리튬 금속 음극의 충방전 과정의 가역성을 증가시키고 리튬 덴드라이트 형성을 억제하였다.

이 연구는 유사 고농도 전해질의 우수한 효과의 원인을 체계적으로 규명함으로써, 리튬 금속 음극을 적용하는 차세대 전지의 구현 가능성을 높였다.

 

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

기존 연구는 주로 전해질 소재 및 조성 최적화와 같은 단편적 이슈에 치중하였고, 그 결과 전해질 조성 설계에 대한 체계적 전략 수립이 어려웠다.

반면, 본 연구는 전기화학적 원리에 기반하여 전해질의 근본적 작용 원리를 규명함으로서, 전해질 조성이 전해질 물성과 전지 성능에 미치는 영향을 설명할 수 있는 이론적 기반을 마련하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

리튬 금속 음극을 사용하는 차세대 이차전지에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

본 연구는 실험실용 소형전지를 이용하여 해당 전해질의 전지 내구성을 확인하였다.

전기자동차 적용과 같은 실제 응용성 평가를 위해서는, 실제 상용전지를 이용하여, 전지의 내구성뿐 아니라 출력특성 및 안전성 등 다양한 평가와 검증을 거쳐야 한다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

리튬 금속 음극을 적용한 차세대 이차전지 개발은 이차전지 분야의 가장 중요한 연구과제중 하나로서, 본 연구는 국내 이차전지 기업체로부터의 산학연구의 일환으로 시작하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

본 연구의 가장 중요한 의미는 리튬 금속 음극을 사용하는 차세대 이차전지용 전해질의 설계 원리를 규명한 점이다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

전해질의 미시 용액구조-전해질 물성-전지 성능으로 이어지는 다차원적 인과성을 규명하고자 한다.

 

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그림설명

[그림 1] 넓은 온도범위에서 리튬 음극 성능을 결정하는 유사 고농도 전해질 인자

 


(그림설명) 
1. 온도별 리튬 음극의 성능을 결정하는 유사 고농도 전해질 인자들을 규명하였다.
2. 전극/전해질 계면에서 빠른 전하 이동은 고온-저온 전 온도 영역에서 전지 성능 개선에 기여한다.
3. 우수한 이온 전달 특성은 주로 저온에서의 전지 성능 향상에 기여한다.
4. 리튬 음극 보호막의 열적 안정성은 고온에서의 전지 성능 향상에 기여한다.
 
 
 

 
콘텐츠 담당 담당부서  :   대외협력팀 ㅣ 053-785-1135