저온 환경에서 리튬이온배터리 성능 향상

전기차의 인기가 점점 높아지고 있는 반면에, 소비자들은 전기차를 꺼리는 이유 중 하나로 배터리의 열악한 저온 성능을 지목한다. 리튬이온배터리는 온도가 떨어지면 리튬이온이 전해액에서 전극으로 이동하는 탈 용매화 과정에서 배터리 내부 저항이 증가하고 성능이 저하된다. 따라서 낮은 온도에서 작동할 수 있는 배터리 설계가 필요하다.

최근 메릴랜드 대학(University of Maryland-College Park, UMD)의 화학 및 생체분자 공학과(CHBE) 춘솅 왕(Chunsheng Wang) 교수와 연구팀이 전기차가 극한 온도에서 작동하고 빠른 충전을 도울 수 있는 차세대 리튬이온배터리를 위한 새로운 전해질을 개발했다. 

지난 8일 춘솅 왕 교수와 연구팀은 큰 폭의 온도 변화에서 리튬 배터리를 빠르게 충전하고 작동할 수 있는 새로운 종류의 연질 용매화 전해질(soft solvating electrolytes)을 네이처(Nature)지 온라인판에 발표했다. 

연구팀의 네이처 논문 제1저자이자 UMD의 화학 및 생체분자 공학부 방문연구과학자인 지지안 쉬(Jijian Xu) 박사는 “극한 조건에서 최적의 성능을 발휘하려면 배터리가 넓은 온도에서 작동할 뿐만 아니라 빠르게 충전하고 더 높은 전압을 견딜 수 있으며 안전하고 불연성이어야 한다.”라고 강조했다.

왕 교수는 새로운 전해질이 상업적으로 입증된 전해질보다 비쌀 수 있지만, 새로운 화합물은 독성 성분이 없는 일반적인 용매와 염으로 만들어졌음을 강조했다. 쉬 박사에 따르면, 새로운 전해질은 대량 생산 시 합성 경로를 최적화함으로써 비용을 절감할 수 있다. 

연구원들은 극한의 작동 조건에 있는 배터리를 위한 전해질 설계 구성을 이해하기 위해 4.5V NMC811 || 흑연 셀을 가능하게 하는 연질 용매화 전해질 제품군을 확인했다. 그 결과 ±60 ℃의 넓은 온도 범위에서 충전 및 방전이 가능했으며, 15분의 빠른 충전 시간을 제공했다고 한다.  

쉬 박사는 “상용 탄산염(carbonate) 기반 전해질은 -30 ℃ 정도의 낮은 온도에서 동결되어 배터리 고장이 발생한다.”면서 “우리의 발견은 에너지 밀도, 고속 충전, 넓은 작동 온도 및 안전 요구사항을 충족하기 위해 차세대 EV향 리튬이온배터리를 위한 실용적인 즉시 적용 가능한(drop-in) 솔루션을 제공한다.”라고 소개했다.

현재 리튬이온배터리의 전해질 용매는 리튬염을 용해시키기 위해서 리튬이온(Li+)과 강하게 결합하는 경우가 많다. 그러나 용매와 리튬이온 사이의 결합 에너지가 클수록 리튬이온이 용액 밖으로 나오기 어려워진다. 

연구원들은 리튬이온과 용매 사이의 결합 에너지를 최소화하면서 리튬염이 용해될 수 있는 상대적으로 낮은 도너 수(donor number: 10 미만)와 높은 유전 상숫값(5 이상)을 가진 용매를 확인했다. 

또한, 연구원들은 저온에서 리튬 플레이팅(plating) 및 스파이크 형성을 방지하는 구성요소를 전해질에 추가했다. 이 구성요소는 전극 표면에 얇고 상대적으로 전기 전도성이 높은 층을 형성해 리튬이온의 빠른 이동을 지원하여 더 빠른 충전 및 재충전 시간을 제공한다. 

올렉 보로딘(Oleg Borodin) 팀이 수행한 분자 모델링은 벌크 저항과 계면 저항을 모두 최소화해 더 빠른 충전 및 방전 시간을 가능케 하는 연성 용매화 분자와 보조 용매(co-solvent)를 식별하는 데 도움을 주었다고 한다.

NMC811 양극재와 흑연 음극재를 이용한 4.5 V 리튬이온 셀로 실험한 결과, 이 소자들은 약 15분의 충전 시간을 고려할 때 –50 ℃에서 충전 및 방전 시 상온 용량의 3/4을 유지했고, -60℃에서 절반 이상을 유지했다고 한다.  

왕 교수와 연구팀은 새로운 전해질 설계 구성이 전기차에서 휴대용 장치에 이르기까지 다양한 제품에 사용되는 리튬이온배터리의 획기적인 전환점이 될 것으로 기대하고 있다. 이들의 연구는 현재 리튬이온배터리의 작동 온도 제한과 안전 문제를 해소할 수 있다. 

액체 전해질을 사용하는 리튬이온배터리는 급격한 온도 변화로 인한 배터리 팽창이나 외부 충격에 의한 누액 등 배터리 손상 시 위험성이 존재한다. 특히 액체 전해질은 극한 조건이나 배터리에 일종의 단락이 발생하면 화염으로 폭발을 일으킬 수 있다. 반면, 제안된 전해질 설계 기술의 장점 중 하나는 전해질이 가연성이 아니며 극한 조건의 상황에서도 배터리가 발화할 가능성이 적다는 것이다.

여러 기관이 참여한 이 연구에는 미 육군 전투능력개발사령부(DEVCOM) 연구소, 뉴저지 주립 럿거스 대학교, 브룩헤이븐 국립 연구소(Brookhaven National Laboratory, BNL)의 연구원들이 참여했다.   

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추가 정보: Xu, J., Zhang, J., Pollard, T.P. et al. Electrolyte design for Li-ion batteries under extreme operating conditions. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05627-8

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