신개념 전해질 용매 ‘isoBN’ 도입으로 충전 속도 혁신최남순 교수연구팀 “전기차·ESS·우주 항공 산업 활용 기대”
  • ▲ KAIST 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀.ⓒKAIST
    ▲ KAIST 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀.ⓒKAIST
    KAIST(총장 이광형) 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀과 협력해 전기차 배터리의 충전 시간을 획기적으로 단축하는 기술을 개발했다. 

    17일 KAIST에 따르면, 연구팀은 기존 전해질 소재인 에틸렌 카보네이트(EC)를 대체할 새로운 전해질 용매 ‘아이소부티로니트릴(isoBN)’을 도입해, 상온에서 15분 내 고속 충전이 가능하도록 배터리 내 리튬 이온 이동을 극대화하는 전략을 제시했다.

    연구팀은 전해질 내 용매화(Solvation) 구조를 조절하는 방식을 통해 리튬이온전지의 핵심 요소인 음극 계면층(SEI, Solid Electrolyte Interphase) 형성을 최적화했다. 이를 통해 리튬이온 이동을 원활하게 하고, 고속 충전 시 발생하는 리튬 전착 및 배터리 수명 단축 문제를 해결했다.

    기존 EC 전해질은 높은 점성(3.38 cP)과 강한 용매화 특성으로 인해 음극 계면층의 결정립이 커지고, 고속 충전 시 리튬이온 이동이 원활하지 않았다. 이로 인해 리튬이 음극 표면에 전착되어 배터리 수명이 단축되고 화재 위험이 높아지는 문제가 있었다.

    연구팀이 개발한 isoBN 전해질은 EC 대비 점성이 55% 낮고(1.52 cP), 이온전도도는 54% 높아(12.80 S/cm) 리튬이온의 탈용매화 에너지를 효과적으로 감소시켰다. 그 결과, 15분 고속 충전 300회 사이클에서도 비가역성 리튬 전착 없이 94.2%의 높은 용량 유지율을 기록했다.

    특히 연구진은 X선 광전자 분광법(XPS), 비행시간 이차이온 질량 분석(TOF-SIMS) 및 전기화학적 변형 현미경(ESM) 등을 활용해 전해질 조성이 리튬이온의 이동 경로 및 음극 계면층 결정립 크기에 미치는 영향을 세계 최초로 영상화했다.

    최남순 교수는 “리튬이온전지의 충전 시간을 획기적으로 단축하는 전해질 시스템과 음극 계면층 기술을 제시했다”며 “이번 연구를 통해 전기차 배터리 충전 시간 단축이 현실화될 것이며, 에너지 저장 시스템(ESS), 드론, 우주 항공 산업 등 다양한 분야에서 리튬이온전지의 고속 충전 기술이 실용화될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

    이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 최남순 교수, 송채은·한승희 연구원과 신소재공학과 홍승범 교수, 최영우 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 지난 11일 게재됐다.