LG에너지솔루션과 POSTECH(포항공과대학교), 성균관대학교가 공동연구를 통해 리튬이온전지의 저온 성능과 열안전성을 동시에 개선할 수 있는 전해질 핵심 기술 개발에 성공했다.

공동연구팀은 영하 20°C의 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 에너지분야 최고 권위 학술지 ‘Advanced Energy Materials’와 ‘Journal of Materials Chemistry A’에 게재됐다고 밝혔다. 

■ 저온 성능과 열폭주 동시 해결, 극저온 환경용 배터리 등 폭넓은 활용 가능성 기대

이번에 개발한 핵심 기술은 ‘알릴 트리메틸 포스포늄(Allyl Trimethyl Phosphonium, APT)’계열 이온성 화합물을 활용한 전해질 기술이다.

이온성 화합물은 플러스와 마이너스 전하를 띠는 이온들이 자석처럼 강하게 결합하여 만들어진 물질로, 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 도입함으로써 리튬이온전지의 성능 저하 주요 원인인 ‘저온 이온 이동 저하’와 ‘계면 불안정성’을 동시에 개선하는 데 성공했다.

‘Advanced Energy Materials’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 있음을 확인했다.

실제 이 기술이 적용된 배터리 셀은 영하 20 °C의 악조건에서 100회 충·방전 후 약 87%의 높은 용량 유지율을 달성하며 저온 환경에서의 월등한 성능을 입증했다. 보통 배터리 셀의 경우 동일한 조건에서 약 10% 안팎의 용량을 유지하는 것이 일반적이다.  

또한 ‘Journal of Materials Chemistry 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. 이는 배터리 셀 발화 시 발생하는 발열량을 기존 대비 90% 낮춰 열 전이 속도를 크게 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있다.

이번 연구는 LG에너지솔루션의 셀 제작 및 분석 인프라, POSTECH의 이온성 화합물 합성 역량, 성균관대의 계면 분석 기술이 결합된 협업의 결과물로 국내 배터리 연구의 국제 경쟁력을 한층 강화했다는 평가를 받고 있다.

또한 향후 극저온 환경에서 작동해야 하는 특수 목적 배터리나 고용량 실리콘 음극을 적용한 차세대 배터리 등 폭넓은 분야에 활용될 것으로 기대되고 있다.

POSTECH 이기라 교수 연구팀은 “산업 현장의 기술 과제를 학문적으로 재해석해 실질적인 솔루션으로 발전시킨 모범적인 산학협력 모델”이라고 평가했으며, 성균관대 박호석 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·우주, 극저온 환경용 배터리 등 다양한 분야에서 새로운 고객가치를 제공할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편, LG에너지솔루션은 국내외 유수 대학 및 연구기관과 다양한 산학협력을 맺고 있다. 대표적으로 계약학과와 공동연구센터 FRL(Frontier Research Lab) 등을 통하여 국내에는 연세대, 고려대, POSTECH, 한양대 및 KAIST 와 협력을 진행하고 있으며, 해외에는 미국 캘리포니아대학교 샌디에이고(UCSD), 독일 뮌스터 대학교와 협력을 진행하고 있다.