리튬금속전지는 전기차 등에 적용가능한 차세대 전지로 각광받고 있으나 음극소재로 사용되는 리튬금속의 반응성이 높아 상용화에 어려움이 있었다. 불소 원자가 포함된 전해액으로 이러한 문제를 해결하는 기술이 나왔다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 최남순-곽상규 교수팀이 불소 원자를 포함하는 용매를 이용한 ‘이온 농축형 전해액’을 개발했다. 이 전해액은 리튬 금속 전지의 음극과 양극에 보호막을 고르게 형성해, 전체 배터리의 수명과 출력을 높였다.

리튬이온전지, 리튬금속전지 모두 리튬이온이 음극과 양극사이를 왔다 갔다하면서 산화와 환원을 반복해 전기의 충·방전이 일어나는데, 전해액은 이러한 리튬이온의 통로 역할을 한다. 통로역할 뿐만 아니라 전해액 자체가 전극과 반응해 전극을 보호하는 막을 만들기도 하는데, 이 보호막이 불균일하게 형성되면 전극 표면에서 원치 않는 반응이 일어나 전지의 성능과 안전성을 떨어뜨린다. 따라서 이상적인 형태의 보호막을 만들어 주는 게 중요하고, 이를 위해서 전해액의 성분을 효과적으로 조절해야 한다.

최남순-곽상규 교수팀은 ‘불소(F)’를 함유한 새로운 조성의 전해액을 개발해, 음극과 양극을 동시에 보호하고 전지의 출력도 높였다. 불소는 리튬과 반응해 리튬 전극 표면에 보호막을 형성하고, 보호막이 부분적으로 파괴됐을 때 수선하는 역할도 한다. 또한 일반적으로 불소를 포함한 전해액은 주로 전지 음극에 보호막을 형성하는데, 이번 연구에서 개발된 전해액은 전지 양극에도 보호막을 잘 형성해, 같은 양극소재를 활용하는 리튬이온전지, 리튬-공기전지, 리튬-황 전지 등에도 적용이 가능할 전망이다. 

이번 연구는 저명한 국제학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 11월 20일자로 공개됐다.

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