LG엔솔-포스텍-성균관대, 저온·열안전성 동시 개선 전해질 기술 개발 성공

리튬이온전지 ‘저온 성능 저하와 열폭주’ 동시 개선
영하 20도 환경 100회 사이클 후 87% 용량 유지, 열폭주 90% 이상 억제

[포인트경제] LG에너지솔루션과 POSTECH, 성균관대학교가 공동연구를 통해 리튬이온전지의 저온 성능과 열안전성을 동시에 개선하는 전해질 핵심 기술 개발에 성공했다. 공동연구팀은 영하 20°C 환경에서 100회 충방전 후 기존 전해질 대비 약 87%의 용량을 유지하고, 열폭주를 90% 이상 억제하는 전해질을 개발했다고 20일 밝혔다.

(왼쪽부터)성균관대 화학공학부 박호석 교수와 POSTECH 화학공학과 이기라 교수 /LG에너지솔루션 제공

이번 연구 결과는 에너지 분야 최고 권위 학술지인 ‘Advanced Energy Materials’와 ‘Journal of Materials Chemistry A’에 게재됐다. 연구진은 ‘알릴 트리메틸 포스포늄(Allyl Trimethyl Phosphonium, APT)’ 계열 이온성 화합물을 활용한 전해질 기술을 개발했다. 이 이온성 화합물은 전해질 내에서 이온 이동을 촉진하는 역할을 하며, 전해질의 동결점을 낮추고 계면 반응을 조절하는 다기능성 소재로 작용한다.

공동연구팀은 APT 계열 이온성 화합물을 전해질에 도입해 리튬이온전지의 저온 이온 이동 저하와 계면 불안정성을 동시에 개선했다. ‘Advanced Energy Materials’에 게재된 연구에 따르면, APT 계열 이온성 화합물은 전해질 혼합물의 녹는점을 낮춰 점도를 줄이고, 영하의 극한 환경에서도 이온전도성을 안정적으로 유지하는 것을 확인했다. 이에 따라 해당 기술을 적용한 배터리 셀은 영하 20°C에서 100회 충방전 후 약 87%의 용량 유지율을 기록했다. 일반적으로 동일 조건에서 배터리 셀은 약 10% 용량 유지율을 보인다.

또한 ‘Journal of Materials Chemistry A’에 게재된 후속 연구에서는 동일한 APT 계열 이온성 화합물을 고용량 실리콘 음극 전지에 적용해 열폭주를 90% 이상 억제하는 성과를 냈다. 이 기술은 배터리 셀 발화 시 발생하는 발열량을 기존 대비 90% 낮춰 열 전이 속도를 크게 줄였다.

이번 연구는 LG에너지솔루션의 셀 제작 및 분석 인프라, POSTECH의 이온성 화합물 합성 역량, 성균관대의 계면 분석 기술이 결합된 협업 결과물이다. 국내 배터리 연구의 국제 경쟁력을 강화하는 성과로 평가받는다. 향후 극저온 환경용 특수 목적 배터리와 고용량 실리콘 음극을 적용한 차세대 배터리 등 다양한 분야에 활용될 전망이다.

LG에너지솔루션

POSTECH 이기라 교수 연구팀은 이번 연구를 “산업 현장의 기술 과제를 학문적으로 재해석해 실질적 솔루션으로 발전시킨 모범적인 산학협력 모델”이라고 평가했다. 성균관대 박호석 교수 연구팀은 “APT 이온성 화합물의 분자 설계 자유도를 활용하면 전고체전지와 리튬금속전지로의 확장도 가능하다”고 밝혔다.

LG에너지솔루션 관계자는 “이번 연구는 하나의 이온성 화합물 플랫폼으로 성능과 안전성이라는 상충된 요구를 동시에 충족시킨 혁신적 사례”라며 “APT 기반 전해질 기술은 전기차뿐 아니라 항공·우주, 극저온 환경용 배터리 등 다양한 분야에서 새로운 고객가치를 제공할 수 있다”고 말했다.

한편, LG에너지솔루션은 국내외 유수 대학 및 연구기관과 다양한 산학협력을 진행하고 있다. 국내에서는 연세대, 고려대, POSTECH, 한양대, KAIST와 협력하며, 해외에서는 미국 캘리포니아대학교 샌디에이고(UCSD)와 독일 뮌스터 대학교와 협력 중이다.