16일 KAIST에 따르면 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 리튬디플루오로 옥살레이트 포스페이트(LiDFBP)와 리튬나이트레이트(LiNO3)라는 이온성 첨가제를 개발했다.

리튬금속전지는 리튬이온전지의 흑연보다 10배 이상 높은 용량을 발현하지만 높은 환원력을 가지는 리튬금속 음극과 전해액의 반응을 제대로 제어하지 못하면 긴 수명을 기대하기 어렵다.

이번 개발 첨가제를 사용하면 리튬금속 음극 표면에 안정적인 이중층 고체전해질 계면 박막을 형성해 성능 저하·위험성을 일으키는 리튬 덴드라이트 형성을 억제하고 리튬이온을 균일하게 전달해 전지의 수명과 고속 충·방전 특성이 대폭 향상된다. 니켈리치 양극 표면을 보호하는 얇은 계면막도 형성해 양극의 구조적 안정성을 확보했다.

첨가제를 도입한 리튬금속전지는 600회 충·방전 후에도 초기 용량의 80%를 유지하고 99.94%의 높은 쿨롱 효율을 나타냈다.

논문 공동 제1 저자인 김세훈 박사과정은 "LiDFBP와 LiNO3를 불소 도너와 질소 도너형 첨가제로 도입해 리튬금속 음극의 가역성과 형상 균일화가 가능했으며 이러한 이중층 계면막은 양극과의 크로스 토크을 최소화해 4V 이상의 고전압에서 전해액이 분해되지 않도록 했다"며 "기존에 보고된 리튬금속 전지용 전해액 조성 기술의 한계를 뛰어넘는 고전압·장수명 리튬금속 전지용 전해액 소재를 개발하게 됐다"라고 말했다.

최 교수는 "계층적 구조화를 통해 고강도 막과 고이온 전달성 막을 리튬금속 음극 표면에 형성하는 새로운 시도"라며 "리튬금속전지의 최대 과제인 리튬금속 음극과 전해액의 불안정한 계면을 제어하는 첨가제 개발에 새로운 방향을 제시했다"라고 연구의 의미를 강조했다.