▲ 안트라센 기반 젤 전해질(An-PVA-CN GPE)의 작용 원리 / (아래쪽) 고전압 하이니켈 양극에서는 충전 과정에서 불안정한 산소가 서로 결합해 산소 이합체(oxygen dimer)를 만들고, 이 과정에서 일중항산소(1O2)가 발생해 전해액을 분해하거나 전극 표면 구조를 무너뜨린다. (위쪽) 이번에 개발된 젤 전해질의 안트라센(anthracene) 분자는 산소 음이온을 고정해 (oxide anion anchoring) 산소 이합체 형성을 원천 차단하고 일중항산소를 포획한다. 이 덕분에 전해액 분해와 표면 구조 손상이 억제돼, 고전압에서도 전극을 보호할 수 있다.(그림 및 설명=UNIST)   © 특허뉴스

전기차의 주행거리를 늘리고 폭발 위험을 낮추는 ‘산소 차단형 배터리 전해질’이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기존 고전압 배터리의 수명을 2.8배 늘리고, 부풀어 오름 현상은 1/6 수준으로 억제하는 성과로, 배터리 노화의 근본 원인인 활성산소를 ‘원천 봉쇄’한 세계 최초의 기술이다.

UNIST 송현곤 교수팀(에너지화학공학과)은 한국화학연구원 정서현 박사팀, 한국전자기술연구원 황치현 박사팀과 공동으로 ‘안트라센 기반 반고체 젤 전해질(An-PVA-CN)’을 개발했다. 이번 연구 결과는 에너지 재료 분야의 세계적 학술지 'Advanced Energy Materials'(10월 5일자)에 게재됐다.

고전압 리튬이온전지는 4.4V 이상의 전압으로 충전돼 높은 에너지 밀도를 제공하지만, 이 과정에서 하이니켈 양극에서 산소가 불안정해지며 ‘활성산소’가 생성된다. 활성산소는 전극 구조를 손상시키고, 가스 발생을 유발해 폭발 위험과 수명 단축의 주요 원인으로 지목되어 왔다.

연구팀은 ‘안트라센(An)’ 분자 구조를 활용해 이 문제를 근본적으로 해결했다. 안트라센은 전극 표면의 불안정한 산소와 먼저 결합해 활성산소의 씨앗인 산소 이합체(O₂ dimer) 생성 자체를 차단하고, 이미 발생한 활성산소까지 포획해 제거하는 ‘이중 보호 메커니즘’을 구현했다.

또한 전해질에 포함된 니트릴(-CN) 작용기는 양극 내 니켈 금속의 용출을 억제하고, 구조 변형을 방지해 전극 안정성을 크게 높였다.

실험 결과, 새 전해질을 적용한 배터리는 4.55V 고압 조건에서 500회 충·방전 후에도 초기 용량의 81%를 유지, 기존 배터리(180회 후 80% 이하 유지) 대비 2.8배 긴 수명을 보였다. 또한 가스 발생이 억제돼 배터리 팽창이 기존의 85µm에서 13µm로 감소, 팽창률이 약 1/6로 줄었다.

송현곤 교수는 “이번 연구는 전해질 설계 단계에서 고전압 배터리의 산소 반응을 제어할 수 있음을 보여준 의미 있는 성과”라며 “향후 우주항공용 경량 리튬이온전지, 대용량 에너지저장장치(ESS) 등으로 응용 가능성이 크다”고 밝혔다.

논문명은 Electrolyte-Driven Suppression of Oxygen Dimerization and Oxygen Evolution in High-Voltage Li-Ion Batteries이다.