한국과학기술원(KAIST) 연구진이 하이니켈 배터리가 빠르게 망가지는 근본 원인을 세계 최초로 규명했다. 리튬이온 배터리 중 고성능 전기차에 주로 탑재되는 하이니켈 배터리는 에너지 밀도가 높지만 성능 저하가 빠르다는 한계를 안고 있다.
3일 KAIST에 따르면 최남순 생명화학공학과 교수 연구팀과 서동화 신소재공학과 교수 연구팀은 배터리 소재 일종인 전해질 첨가제 ‘숙시노니트릴(CN4)’이 하이니켈 배터리에서 성능 저하를 일으키는 핵심 원인임을 밝혀냈다.
배터리 내에서는 리튬이온이 양극과 음극 사이를 오가며 전기를 생성한다. 리튬의 이동을 돕기 위해 전해질에는 소량의 CN4가 들어가는데 연구팀은 2개의 니트릴 구조를 가진 CN4가 하이니켈 양극 표면의 니켈이온과 지나치게 강하게 달라붙는다는 사실을 컴퓨터 계산으로 확인했다.
니트릴 구조는 탄소와 질소가 삼중 결합으로 묶여 있는 금속이온과 잘 달라붙는 갈고리 같은 구조다. 이 강한 결합 때문에 양극 표면에 형성돼야 할 보호막 역할의 전기이중층이 무너지고 충·방전 과정에서 양극 구조가 뒤틀리며 양극 전자까지 빠져나가 양극이 빠르게 손상된다. 이 과정에서 새어 나온 니켈이온은 전해질을 통해 음극으로 이동해 표면에 쌓이는데 니켈은 전해질을 더 빨리 분해하는 등 배터리 열화를 가속시킨다.
이번 연구는 금속이온과 전해질 분자 사이에서 실제로 어떤 전자이동이 일어나는지 규명한 정밀 분석이라는 점에서 큰 의미를 갖는다. 연구진은 이 성과를 바탕으로 하이니켈 양극에 최적화된 새로운 전해질 첨가제 개발에 나설 계획이다.
최 교수는 “배터리 수명과 안정성을 높이려면 분자 수준의 정밀한 이해가 필수”라며 “이번 연구가 니켈과 과도하게 결합하지 않는 새로운 첨가제 개발의 길을 열어 차세대 고용량 배터리 상용화에 크게 기여할 것”이라고 말했다. 생명화학공학과 최 교수, 한승희·김준영·이기훈 연구원과 신소재공학과 서 교수, 김재승 연구원이 공동 제1저자로 진행한 이번 연구는 지난달 14일 국제 학술지 ‘에이시에스 에너지 레터스’에 온라인 게재됐으며 커버 논문으로 선정됐다. 이번 연구는 삼성SDI의 지원을 받아 수행됐다.
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