KAIST 생명화학공학과 최남순 교수팀이 신소재공학과 서동화 교수팀과 함께 그동안 배터리의
안정성과 수명 향상을 위해 사용돼 온 전해질 첨가제 '석시노니트릴(CN4)'이 하이니켈 배터리에서는 오히려 성능을 떨어뜨리는 주범이라는 사실을 규명했습니다.

배터리는 양극과 음극 사이를 리튬 이온이 오가며 전기가 만들어지는데, 리튬 이동을 돕기 위해 전해질에는 소량의 CN4가 들어갑니다.

연구팀은 두 개의 니트릴(-CN) 구조를 가진 CN4가 하이니켈 양극 표면의 니켈 이온과 지나치게 강하게 달라붙는다는 것을 컴퓨터 계산으로 확인했습니다.

이 때문에 양극 표면에 형성돼야 할 보호막 역할을 하는 전기이중층이 무너지고, 충·방전 과정에서 양극 구조가 뒤틀리며 전자가 빠져나가 양극이 빠르게 손상됩니다.

또 양극에서 빠져나온 니켈 이온은 전해질을 통해 음극 표면에 쌓이면서 전해질 분해를 촉진하고 리튬을 낭비시키는 '나쁜 촉매' 처럼 작용해 배터리 열화를 더욱 가속하는 것으로 분석됐습니다.

연구진은 여러 분석을 통해 CN4가 하이니켈 양극 표면을 니켈이 부족한 비정상적인 층으로 바꾸고, 안정적 상태의 구조를 '암염 구조'라는 비정상적 구조로 변형시키는 것도 확인했습니다.

기존 LCO(리튬코발트산화물) 배터리에서는 유용하던 CN4가, 니켈 비율이 높은 하이니켈 배터리에서는 오히려 구조를 무너뜨리는 물질이라는 점이 처음으로 규명된 것입니다.

연구진은 이번 연구는 단순한 충·방전 조건의 조절을 넘어, 금속 이온과 전해질 분자 사이에서 일어나는 전자 이동과 결합 관계를 분자 수준에서 규명했다는 점에서 의미가 크다고 설명했습니다.

연구진은 이를 바탕으로 니켈과 과도하게 결합하지 않는, 하이니켈 양극에 최적화된 새로운 전해질 첨가제 개발에 나설 계획입니다.

KAIST 생명화학공학과 최남순 교수, 한승희·김준영·이기훈 연구원과 신소재공학과 서동화 교수, 김재승 연구원이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지, ACS Energy Letters에 11월 14일 온라인판에 표지 논문으로 실렸습니다.

TJB 대전방송