울산과학기술원(UNIST)은 장거리 주행 전기차에 쓰이는 고전압 배터리의 수명을 늘리고 폭발 위험을 줄이는 젤 형태 물질을 개발했다고 5일 밝혔다.

송현곤 UNIST 에너지화학공학과 교수팀은 정서현 한국화학연구원 박사, 황치현 한국전자기술연구원 박사팀과 공동으로 '안트라센 기반 반고체 젤 전해질(An-PVA-CN)'을 개발했다.

이 물질은 고전압 배터리 노화의 주범인 활성산소 생성을 원천 차단한다. 배터리를 고전압으로 충전할 때 전극에서 활성산소가 새어 나오는 반응을 봉쇄하는 방식이다.

신규 전해질을 적용한 결과 배터리 수명은 2.8배 늘어났고, 부풀어 오름은 1/6 수준으로 감소했다.

고전압 배터리는 4.4V 이상 전압으로 충전되는 리튬이온전지다. 더 많은 전기를 저장해 배터리팩을 가볍게 만들 수 있다. 그러나 충전 전압이 높아지면 하이니켈 양극의 산소가 불안정해지면서 '일중항산소'라는 활성산소로 변해 빠져나온다. 이 활성산소는 가스를 발생시켜 배터리 폭발 위험을 높이고 수명을 단축시킨다.

개발된 전해질의 안트라센(An)은 전극 표면의 불안정한 산소와 결합해 불안정한 산소끼리 결합하는 반응을 차단한다. 불안정한 산소끼리 결합하면 활성산소 씨앗인 산소 이합체가 생성된다. 안트라센은 이미 생긴 활성산소까지 포획해 제거하는 이중 보호 기능도 수행한다.

전해질의 또 다른 성분인 니트릴(-CN) 작용기는 양극의 니켈 금속을 안정화해 니켈이 녹아 나오거나 양극 구조가 변형되는 것을 막는다.

제1저자인 이정인 연구원은 "이번 연구는 활성산소의 발생 단계 자체를 차단했다는 점이 차별점"이라며 "기존에는 활성산소가 이미 생긴 뒤 항산화 물질로 사후 중화하거나, 전극을 조작해 산소 발생을 억제하려 했다"고 설명했다.

새 전해질을 적용한 배터리는 4.55V 고압 충전 조건에서 500회 충·방전 후에도 초기 용량 81%를 유지했다. 반면 기존 배터리는 180회 사이클 만에 초기 용량 80% 이하로 떨어졌다. 배터리 용량이 초기 80% 이하로 떨어지면 수명이 다한 것으로 본다.

가스 발생도 크게 억제됐다. 기존 배터리가 85마이크로미터(μm) 팽창한 것과 달리 젤 전해질 적용 배터리는 13μm 정도 부풀어 올라 부피 팽창을 약 1/6 수준으로 줄였다.

송현곤 교수는 "고전압 배터리의 산소 반응을 전해질 설계 단계에서 직접 제어할 수 있다는 점을 보여줬다"며 "이 원리는 앞으로 우주항공용 경량 리튬이온전지와 대용량 에너지 저장 장치(ESS) 개발에도 응용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 에너지 재료 분야 국제학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)'에 10월 5일 자로 온라인 게재됐다. 연구 수행은 UNIST 하이드로 스튜디오(Hydro*Studio)의 이노코어(InnoCore) 프로그램과 한국산업기술기획평가원, 한국화학연구원 프로젝트의 지원을 받았다.