LG엔솔 POSTECH·성균관대와 산학협력으로
영하 20도에서도 87% 용량 유지 및 열폭주 90% 억제
차세대 실리콘 음극·전고체전지 등에 적용 기대… 산학연 협력 지속

LG에너지솔루션이 국내 대학들과 손잡고 저온에서도 성능을 유지하고 열폭주에도 안전한 차세대 전해질 핵심 기술을 개발했다./그래픽=그린포스트코리아, 이미지=인공지능 생성
LG에너지솔루션이 국내 대학들과 손잡고 저온에서도 성능을 유지하고 열폭주에도 안전한 차세대 전해질 핵심 기술을 개발했다./그래픽=그린포스트코리아, 이미지=인공지능 생성

LG에너지솔루션이 국내 대들과 손잡고 저온에서도 성능을 유지하고 열폭주에도 안전한 차세대 전해질 핵심 기술을 개발했다.

LG에너지솔루션은 포항공과대학교(POSTECH), 성균관대학교와 공동으로 ‘알릴 트리메틸 포스포늄(Allyl Trimethyl Phosphonium, 이하 APT)’ 계열 이온성 화합물을 활용한 전해질 기술 개발에 성공했다고 20일 밝혔다.

해당 기술은 영하 20도 환경에서 100회 사이클 후에도 배터리 용량의 87%를 유지하고, 열폭주를 90% 이상 억제할 수 있는 기술이다. 이번 기술 개발 성과는 전기차용 리튬이온전지의 내구성과 안정성을 동시에 개선한 혁신적 연구로 평가받고 있다.

◇ 저온에서도 성능 유지… ‘영하 20도’에서도 87% 용량 유지율

LG에너지솔루션과 저온에서 성능을 유지하고 열폭주도 억제하는 차세대 전해질 연구 개발에 성공한 성박호석 성균관대 화학공학부 교수(좌)와 이기라 POSTECH 화학공학과 교수. /LG에너지솔루션 제공
LG에너지솔루션과 저온에서 성능을 유지하고 열폭주도 억제하는 차세대 전해질 연구 개발에 성공한 성박호석 성균관대 화학공학부 교수(좌)와 이기라 POSTECH 화학공학과 교수. /LG에너지솔루션 제공

기존 리튬이온전지는 저온에서 이온 이동이 느려지고, 계면이 불안정해 성능이 급격히 저하되는 한계가 있었다.

이에 공동연구팀은 전해질에 APT 계열 이온성 화합물을 도입해 해당 문제를 근본적으로 개선했다.

APT 화합물은 플러스와 마이너스 전하를 띤 이온이 강하게 결합한 물질로, 전해질의 동결점을 낮추고 점도를 줄여 저온에서도 이온이 원활히 이동하도록 돕는다.

이에 따라 영하 20°C의 혹한에서도 100회 충·방전 후 87%의 용량을 유지했다.

일반 전해질이 같은 조건에서 약 10% 수준의 용량만 유지하는 점을 고려하면 획기적인 성능이다.

연구 결과는 에너지 분야 최고 권위 학술지인 ‘Advanced Energy Materials’에 게재됐다. 논문은 “APT 계열 화합물이 전해질 혼합물의 녹는점을 낮춰 저온에서도 안정적인 전도성을 확보했다”는 점을 과학적으로 입증했다고 강조했다.

◇ 열폭주 90% 억제… ‘안전한 배터리’의 실마리

연구팀은 이어 ‘Journal of Materials Chemistry A’에 발표한 후속 연구에서 동일한 APT 화합물을 고용량 실리콘 음극 전지에 적용했다.

그 결과, 열폭주 현상을 약 90% 이상 억제하며 열안전성을 크게 개선했다.

열폭주는 배터리 내부 온도가 급격히 상승하면서 폭발이나 화재로 이어질 수 있는 현상이다. 

APT 화합물은 계면 반응을 안정화시켜 발열량을 기존 대비 90% 줄였고, 열 전이 속도 역시 대폭 늦췄다.

이는 전기차 화재 등 안전 문제 해결에 실질적인 해법이 될 수 있다는 평가를 받는다.

◇ “산학 협력의 결실”… 국내 배터리 경쟁력 강화 및 다양한 응용 기대

이러한 두 번의 연구는 LG에너지솔루션의 셀 제작·분석 인프라, POSTECH의 이온성 화합물 합성 기술, 성균관대의 계면 분석 역량이 결합된 산학협력의 성과다.

각 기관이 가진 전문성이 유기적으로 맞물리며, 소재 단계부터 셀 성능 검증까지 전주기적 연구 체계를 구축했다.

이기라 POSTECH  교수는 “산업 현장의 기술 과제를 학문적으로 재해석해 실질적 솔루션으로 발전시킨 모범적 산학협력 모델”이라고 평가했으며, 박호석 성균관대 박호석 교수는 “APT 화합물의 분자 설계 자유도를 활용하면 전고체전지나 리튬금속전지 등 차세대 배터리로의 확장도 가능하다”고 전했다.

업계에서는 이번 기술이 극저온 환경에서 작동해야 하는 특수 배터리와 고용량 실리콘 음극을 적용한 차세대 전지 등 폭넓은 분야로 확산될 것으로 보고 있다.

특히 북미·유럽 등 한랭지 시장에서의 전기차 주행거리 개선에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

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 산업에서 새로운 고객 가치를 제공할 것”이라고 밝혔다.

한편, LG에너지솔루션은 이번 연구 외에도 국내외 유수 대학 및 연구기관과 폭넓은 협력을 이어가고 있다. 국내에서는 연세대·고려대·POSTECH·한양대·KAIST 등과 계약학과 및 공동연구센터(FRL, Frontier Research Lab)를 운영 중이며, 해외에서는 미국 캘리포니아대 샌디에이고(UCSD), 독일 뮌스터대와 차세대 배터리 기술 연구를 진행하고 있다.

LG에너지솔루션은 “산학연 협력은 기술 경쟁력의 근간”이라며 “이번처럼 소재 단계부터 공정·제품 개발까지 아우르는 협력 모델을 확대해 글로벌 배터리 산업을 선도하겠다”고 밝혔다.

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