전기차 15분 완전 충전, 리튬이온 배터리 수명 개선

 

 

1. 연구 배경 및 필요성

• 전기차 배터리 충전 문제: 전기차의 배터리 충전 시간이 길어지는 문제는 사용자의 불편을 초래하고, 전기차의 확산을 방해하는 주요 요인으로 꼽힌다. 이를 해결하려면 고속 충전이 가능한 배터리 기술이 필요하다.
• 기존 기술의 한계: 기존의 리튬이온 배터리 전해질인 **에틸렌 카보네이트(EC)**는 고속 충전 시 리튬이온 이동을 방해하고, 리튬 전착 등 문제를 발생시켜 배터리 수명이 단축된다.

2. 연구 목표 및 성과

• 목표: KAIST 연구팀은 배터리의 충전 시간을 획기적으로 단축할 수 있는 기술을 개발하고자 했으며, 이를 통해 전기차 배터리의 성능을 개선하고 고속 충전이 가능하도록 했다.
• 성과: 새로운 전해질 용매인 **아이소부티로니트릴(isoBN)**을 개발하여 리튬이온 이동을 극대화시키고, 고속 충전 문제를 해결할 수 있는 기술을 제시했다.

3. 기술적 접근

• isoBN 전해질의 특성:
  • 점성 감소: 기존 EC 전해질보다 55% 낮은 점성(1.52 cP)을 가짐.
  • 이온 전도도 향상: EC 전해질보다 54% 높은 이온전도도(12.80 S/cm) 보유.
  • 리튬이온 이동 촉진: isoBN은 리튬이온과 약한 결합을 형성해, 리튬이온이 원활하게 이동할 수 있도록 돕는다.
• 음극 계면층 최적화:
  • 기존 EC 전해질은 고속 충전 시 리튬 전착과 같은 문제가 발생하는데, isoBN은 이를 방지하는 역할을 한다.
  • isoBN 전해질은 **음극 계면층(SEI)**의 형성을 최적화하여 리튬이온의 이동을 방해하지 않도록 한다.

4. 연구 결과

• 고속 충전 성능: 연구팀은 15분 고속 충전 300회 사이클에서도 리튬 전착 없이 94.2%의 용량 유지율을 보였다.
• 전해질의 효능:
  • isoBN 전해질은 리튬이온의 탈용매화 에너지를 감소시켜 고속 충전 시 음극 상단부에서 리튬이온이 원활하게 이동할 수 있도록 했다.
• 분석 결과:
  • **X선 광전자 분광법(XPS)**과 **비행시간 이차이온 질량 분석(TOF-SIMS)**을 통해 음극 계면층의 구성과 리튬이온 이동 경로를 정밀 분석.
  • **원자간력 현미경(AFM)**을 활용한 전기화학적 변형 현미경을 통해 리튬이온 전도도와 음극 계면층에서의 리튬이온 이동을 영상화했다.

5. 연구의 혁신성 및 향후 전망

• 혁신성: 연구팀은 isoBN 전해질을 통해 리튬이온전지의 고속 충전 성능을 대폭 향상시킨 기술을 개발했다. 또한, 리튬이온이 전극을 통해 이동하는 과정을 세계 최초로 영상화한 점에서 큰 의의를 갖는다.
• 향후 전망: 이 기술은 전기차를 포함한 다양한 전자기기에서 배터리의 충전 시간을 단축시키고, 배터리 수명을 연장시키는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

6. 결론

KAIST의 연구는 전기차 및 배터리 기술의 발전에 중요한 기여를 하며, 고속 충전과 배터리 수명 개선을 동시에 달성할 수 있는 새로운 전해질 시스템을 제시했다. 이를 통해 미래의 전기차와 전자기기에서 배터리 성능을 크게 향상시킬 수 있을 것이다.