LG에너지솔루션, 차세대 배터리 핵심 기술 개발...영하 20도서 87% 용량 유지, 열폭주 90% 억제

LG에너지솔루션과 POSTECH(포항공과대학교), 성균관대학교가 공동연구를 통해 리튬이온전지의 저온 성능과 열안전성을 동시에 개선할 수 있는 전해질 핵심 기술 개발에 성공했다.

공동연구팀은 20일 영하 20도의 환경에서도 100회 사이클 후 기존 전해질 대비 약 87%의 용량을 유지하고, 열폭주를 약 90% 이상 억제할 수 있는 전해질 연구 개발에 성공했다고 밝혔다.

이번에 개발한 핵심 기술은 ‘알릴 트리메틸 포스포늄(Allyl Trimethyl Phosphonium, ATP)’ 계열 이온성 화합물을 활용한 전해질 기술로 차세대 배터리에 필수적인 요소에 해당한다.

ATP 계열 이온성 화합물로 불안정성 극복

이온성 화합물은 플러스와 마이너스 전하를 띠는 이온들이 자석처럼 강하게 결합하여 만들어진 물질로, 전해질 내에서 이온을 이동시켜 전류를 흐르게 하는 역할을 한다.

이 중 ATP 계열 이온성 화합물은 단순 첨가제의 기능을 넘어, 전해질의 동결점을 낮추고 계면 반응을 조절하는 다기능성 소재로 주목받고 있다.

공동연구팀은 이 물질을 전해질 내에 도입함으로써 리튬이온전지의 성능 저하 주요 원인인 ‘저온 이온 이동 저하’와 ‘계면 불안정성’을 동시에 개선하는 데 성공했다.

이 연구에 따르면, ATP 계열 이온성 화합물은 전해질의 혼합물이 특정 비율에서 녹는점을 낮춰 전해질의 점도를 낮추고, 결과적으로 배터리가 영하의 극한 환경에서도 이온전도성을 안정적으로 유지할 수 있음을 확인했다.

영하 20도 100회 충방전에도 견디는 배터리 셀

실제 이 기술이 적용된 배터리 셀은 영하 20 °C의 악조건에서 100회 충ž방전 후 약 87%의 높은 용량 유지율을 달성하며 저온 환경에서의 월등한 성능을 입증했다. 보통 배터리 셀의 경우 동일한 조건에서 약 10% 안팎의 용량을 유지하는 것이 일반적이다.

또한 동일한 ATP 계열 이온성 화합물을 고용량 실리콘 음극 전지에 적용해 열폭주를 약 90% 이상 억제하는 등 전지의 열안전성을 획기적으로 향상시켰다. 이는 배터리 셀 발화 시 발생하는 발열량을 기존 대비 90% 낮춰 열 전이 속도를 크게 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있다.

이번 연구는 LG에너지솔루션의 셀 제작 및 분석 인프라, POSTECH의 이온성 화합물 합성 역량, 성균관대의 계면 분석 기술이 결합된 협업의 결과물로 국내 배터리 연구의 국제 경쟁력을 한층 강화했다는 평가를 받고 있다.

또한 향후 극저온 환경에서 작동해야 하는 특수 목적 배터리나 고용량 실리콘 음극을 적용한 차세대 배터리 등 폭넓은 분야에 활용될 것으로 기대되고 있다.

차세대 배터리 기술개발 국내외 대학과 산학연 강화

박호석 성균관대 교수 연구팀은 “ATP 이온성 화합물의 분자 설계 자유도를 활용하면 향후 전고체전지와 리튬금속전지로의 확장도 가능하다”고 말했다.

이와 관련 LG에너지솔루션 관계자는 “이번 연구는 하나의 이온성 화합물 플랫폼으로 성능과 안전성이라는 상충된 요구를 동시에 충족시킨 혁신적 사례”라며 “ATP 기반 전해질 기술은 전기차뿐 아니라 항공·우주, 극저온 환경용 배터리 등 다양한 분야에서 새로운 고객가치를 제공할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

LG에너지솔루션은 9월에도 KAIST와 공동 연구를 통해 리튬메탈전지 12분 급속 충전 기술을 개발하는 등 초격차 기술 개발에 힘을 싣고 있다. 이러한 기술 경쟁력 확보 원천에는 국내외 유수 대학 및 연구기관과 다양한 산학협력 관계 추진이 자리잡고 있다.

현재 LG에너지솔루션은 계약학과와 공동연구센터 FRL(Frontier Research Lab) 등을 통하여 연세대, 고려대, POSTECH, 한양대 및 KAIST(이상 국내), 미국 캘리포니아대학교 샌디에이고(UCSD), 독일 뮌스터대(이상 해외)와 기술 협력을 진행하고 있다.