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

20일 공동연구팀에 따르면 이번 연구를 통해 영하 20°C의 극한 환경에서도 100회 충·방전 후 약 87%의 용량을 유지하고, 열폭주를 90% 이상 억제하는 전해질 기술을 구현했다. 이는 기존 전해질 대비 월등한 성능으로, 일반적인 배터리 셀이 동일 조건에서 약 10% 수준의 용량만 유지하는 것과 대비된다.

이번 연구 결과는 에너지 분야 최고 권위 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'와 '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A)'에 각각 게재됐다. 핵심 기술은 '알릴 트리메틸 포스포늄(APT)' 계열 이온성 화합물을 활용한 전해질 기술이다.

이온성 화합물은 플러스와 마이너스 전하를 띠는 이온들이 강하게 결합한 물질로, 전해질 내에서 이온을 이동시켜 전류를 흐르게 하는 역할을 한다. 특히 APT 계열 화합물은 단순 첨가제를 넘어 전해질의 동결점을 낮추고 계면 반응을 조절하는 다기능성 소재로 부각되고 있다.

공동연구팀은 해당 물질을 전해질 내에 도입함으로써 리튬이온전지 성능 저하의 주요 원인으로 지적돼온 '저온 환경에서의 이온 이동 저하'와 '계면 불안정성'을 동시에 해결했다. 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 논문에서는 APT 계열 화합물이 전해질 혼합물의 녹는점을 특정 비율에서 크게 낮춰 점도를 감소시키며, 극저온에서도 이온전도성을 안정적으로 유지한다는 점을 입증했다.

이어 저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A 게재 연구에서는 동일한 APT 계열 이온성 화합물을 고용량 실리콘 음극 전지에 적용했을 때 열폭주를 기존 대비 90% 이상 억제해 열전이 속도를 대폭 줄일 수 있음을 확인했다.

이번 연구는 LG에너지솔루션의 셀 제작 및 분석 인프라, 포스텍의 화합물 합성 기술, 성균관대의 계면 분석 역량이 결합된 산학협력의 대표적 성공 사례로 평가된다. 연구팀은 해당 기술이 향후 극저온 환경에서 작동해야 하는 특수 목적 배터리나 고용량 실리콘 음극을 적용한 차세대 배터리 등 폭넓은 분야에 활용될 것으로 기대하고 있다.

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 말했다.