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전해액 첨가제 0.5% 더하면, 장거리용 전기차 배터리 된다

- 고용량 ·장수명 리튬 이온 배터리 실현 가능… Advanced Energy Materials 게재 한 번 충전해 오래 달리는 장거리용 전기차 배터리를 위한 기술이 나왔다. 현재 사용하는 리튬 이온 배터리의 구성요소 중 전해액에 소량의 첨가제만 추가해 용량과 수명을 늘린 방식이다.UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 최남순-곽상규 교수팀은 ‘고리형 아미노 실레인 계열 첨가제’를 추가한 고용량 리튬 이온 배터리용 전해액 시스템을 개발했다. 이 첨가제는 전극 보호막을 공격하는 불순물 생성을 억제하는 동시에 양극에 새로운 보호막을 만드는 역할을 한다. 전체 전해액의 0.5% 수준만 더해도 양극과 음극을 보호하면서 배터리 성능을 높일 수 있는 획기적인 기술이다.리튬 이온 배터리에서는 ‘리튬 이온’이 전극(양극/음극)을 오가며 충·방전한다. ‘전해액’은 리튬 이온이 지나다니는 통로면서, 그 자체가 전극 표면과 반응해 보호막도 만든다. 따라서 고용량 배터리용으로 전극 물질을 바꾸면 전해액 시스템도 달라져야 한다. 고용량 양극으로 ‘니켈리치 소재(Nickel Rich, 니켈 함량이 60% 이상)’가 주목받는데, 이 물질은 반응성이 크므로 전극 표면에서 기존 전해액을 쉽게 분해시킨다. 또한, 전해액 구성 성분인 리튬염(LiPF₆)이 수분과 반응하고, 이때 나온 물질은 전극 보호막을 파괴하며 전이금속(전지 용량 결정)을 밖으로 꺼내 배터리 성능을 낮춘다.* 니켈리치 양극: 리튬 전이 금속산화물로 니켈 함량이 60%보다 높은 양극 소재이다. 니켈 외에 망간, 코발트 등과 같은 전이금속을 포함한다. 대표적으로 LiNi0.7Co0.15Mn 0.15O2가 있다.* 리튬염: 용매, 첨가제와 함께 전해액 구성 성분의 하나. 이온화돼 전지의 이온 공급원이 된다. 상용화된 전지에는 주로 리튬육불화인산(LiPF₆)을 사용한다.최남순 교수팀은 기존 전해액에 ‘아미노 실레인(Amino Silane) 작용기를 지닌 새로운 첨가제(TMS-ON)’을 추가해 기존 문제점을 극복했다. TMS-ON 첨가제는 전극 보호막을 파괴하는 산성 화합물 생성을 근본적으로 억제하며, 소량으로 생성된 산성 화합물까지 제거한다. 또 양극 표면에 새로운 보호막 만들어, 전극을 구조적으로 보호할 뿐만 아니라 전이금속이 전극 밖으로 나오는 것도 막는다.제1저자인 김고은 UNIST 박사(現 현대자동차 연구원)는 “산성 화합물은 배터리 양극뿐 아니라 음극의 보호막도 공격한다”며, “새로운 첨가제는 산성 화합물의 생성 자체를 억제하므로 음극까지 보호할 수 있다”고 추가 설명했다.곽상규 교수팀은 계산을 통해 신규 첨가제(TMS-ON)의 작동 원리를 이론적으로 규명했다. 분석 결과 첨가제의 형태인 고리 모양이 리튬염의 분해를 억제하는 것으로 나타났다. 또 첨가제 속에 포함된 ‘비공유 전자를 갖는 질소(N)’가 리튬이 분해되면서 만들어지는 오불화인산(PF₅)를 안정화해 불화수소(HF)의 생성 자체를 막는다. 곽 교수는 “첨가제의 리튬 이온 결합 에너지가 낮아서, 기존 전해액의 성분인 리튬육불화인산(LiPF₆)의 해리도를 효과적으로 증가시킨다”며, “또한, 전해액과 전극 물질이 반응해 생성되는 오불화인산(PF₅)도 안정화한다”고 설명했다.* 불화수소(HF): 양극에서 전이금속 용출을 유도해 배터리 용량 저하의 원인이 될 뿐만 아니라, 양극 및 음극 계면에 형성된 보호막을 붕괴시키고 가스를 발생시켜 배터리 안정성을 위협하는 물질이다.최남순 교수는 “수명이 긴 리튬 이온 배터리를 만들려면, 전극 보호막 생성뿐만 아니라 보호막을 공격하는 물질을 제거할 수 있는 첨가제 기술이 필수적”이라며, “이번 연구로 ‘니켈 리치 양극’과 ‘흑연 음극’의 계면 구조 보호를 위한 전해액 첨가제의 새로운 역할에 대한 이해도 가능해졌다”고 연구 의미를 짚었다.이번 연구는 재료 분야의 세계적인 저널 ‘어드벤스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’에 3월 3일 자로 공개됐다. 연구 수행은 현대자동차와 산업통상자원부의 에너지기술개발사업의 지원으로 이뤄졌다.* 논문명: Cyclic Aminosilane-Based Additive Ensuring Stable Electrode–Electrolyte Interfaces in Li-Ion Batteries자료문의:- 대외협력팀: 장준용 팀장, 양윤정 팀원 052) 217-1228- 에너지 및 화학공학부: 최남순 교수 052) 217-2926

취재부 2020-05-06

한국화학연구원, 냉장 배송 식료품 상했는지 알려주는 스티커 개발

취재부 2020-05-06

화학연, 제습 냉방·건조 공기 시스템 핵심 MOF 제습제 기술 (주)에이올코리아에 이전

편집부 2020-04-19

한국화학연구원, 냉장 배송 식료품 상했는지 알려주는 스티커 개발

편집부 2020-04-12

스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술1

편집부 2020-04-03

초임계 질소 및 이산화탄소를 이용한 초임계 발포 사출성형법

자료제공: 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서

편집부 2020-04-02

우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 21

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)

편집부 2020-04-02

환경친화적인 기술로 물에서 스케일 성분을 제거! ㈜한국마쓰이, ‘3존 프리클리어(Preclear)’로 온도관

오래전부터 플라스틱 산업의 원가절감과 생산성 향상에 고민해왔던 ㈜한국마쓰이(이하 한국마쓰이)는 원료 제습과 건조, 수송, 온조 조절, 정수처리, 냉각시스템, 배합, 분쇄 및 리사이클링 등 진보화된 플라스틱 성형공장의 합리화기기 및 시스템을 국내 곳곳에 공급해오고 있다.본 지에서는 보다 친환경적인 기술로 국내외 플라스틱 성형업계의 효율성을 높이고자 최선을 다하는 한국마쓰이가 공급하는 스케일 제거장치 ‘3존 프리클리어(Preclear)’에 대해 소개하고자 한다.온도관리와 유지보수가 용이한 ‘3존 프리클리어(Preclear)’한국마쓰이에서 공급하는 ‘3존 프리클리어(Preclear)’는 환경친화적인 기술로 물에서 스케일(scales) 성분을 제거하여 수질을 관리하는 장치로 유명하다. 칼슘(Ca2+), 마그네슘(Mg2+)성분을 제거하고, 스케일(CaCO3, MgCO3) 생성을 억제함으로써 온도관리가 편리하다는 장점과 전기료 절감, 유지보수의 용이성이라는 강점을 동시에 가지고 있는 제품이다.한국마쓰이의 관계자는 프리클리어 설치 효과에 대해 “설비 설치 후 운용 시에 사전에 스케일 대표 성분인 탄산칼슘(석회), 마그네슘 등의 양이온 스케일 성분을 제거함으로써 스케일로 발전하지 않도록 사전에 예방할 수 있으며, 금형, 온수기, 냉각기 등 냉각수 순환계통의 유지 관리 및 사전예방으로 관련 장비 수명연장 및 스케일 피해를 방지하는 것에 탁월하다”고 강조했다. 또한, “온수기, 냉각기 등 순환계통의 열전달 및 교환 효율 향상, 온도관리 용이, 양질의 성형에 유리하다”고 덧붙였다.한국마쓰이, 항상 국내 플라스틱 공정 효율 개선에 앞장서사실 한국마쓰이는 한국 플라스틱 산업의 역사에서도 절대 빼놓을 수 없는 이름이다. 영동산업을 모태로 한 동사는 1987년 설립된 국내 플라스틱 성형 주변기기 1세대 기업으로 평가받고 있다. 현재 한국마쓰이는 마쓰이 그룹의 혁신적인 주변기기 제품군을 비롯하여 정수처리 관련 솔루션 제품군까지 아우르며, 플라스틱 성형 분야에 꼭 필요한 폭넓은 제품군을 고객들에게 공급하기 위해 최선을 다하고 있다. 동사에서는 현재 다양한 글로벌 마쓰이 거점과 적극적으로 교류하고 있는 만큼, 글로벌 시장에서 선제적으로 발생되는 니즈를 캐치해 국내 고객들에게 한발 앞선 솔루션을 제안하고자 하며, 지속적으로 고객의 비용 부담을 줄이기 위해 노력하는 만큼, 양질의 제품을 제공함으로써 국내 플라스틱 성형 기업의 경쟁력을 제고하기 위해 노력하고 있다.문의: ㈜한국마쓰이(www.koreamatsui.co.kr)032-811-9400

취재부 2020-03-31