치약 성분이 전기차 배터리 발전의 키로 부상

미국 에너지부(DOE) 아르곤국립연구소의 연구팀은 대부분 치약에 첨가되는 불화나트륨(Sodium Fluoride, NaF)이 전기차(EV) 성능을 개선하는 데 적용될 수 있음을 발견했다. 이 연구팀은 불소 전해질이 차세대 EV 배터리의 성능 저하를 방지하는 데 도움이 될 수 있다는 사실을 밝혔다.

기존 리튬이온 배터리보다 더 강력한 차세대 EV 배터리는 단위 부피(또는 무게) 당 두 배 이상의 에너지를 저장할 수 있다. 이러한 배터리는 전기차의 주행거리를 크게 늘려 장거리 트럭이나 항공기에도 적용할 수 있다. 그러나 충전과 방전을 반복하면 높은 에너지 밀도가 급격히 감소하는 단점이 있다. 새로 발견된 불소 전해질은 이 문제를 해결하여, 리튬이온을 넘어 다른 유형의 첨단 배터리 시스템으로 확장될 수 있다. 

아르곤 연구팀은 흑연 대신 리튬 금속 음극재를 사용하는 리튬 금속 배터리를 실험했다. 리튬 금속 배터리는 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 두 배 이상 높지만, 이러한 뛰어난 성능은 100회 미만의 충전-방전 사이클 내에 빠르게 사라지는 경향이 있다.
연구팀은 충전과 방전 과정에서 리튬이온이 양극과 음극 사이를 잘 이동할 수 있도록 도와주는 역할을 하는 전해질을 변경하는 것이 핵심임을 발견했다. 리튬 금속 배터리의 문제점은 초기 사이클 동안 전해질이 음극 표면에 충분한 보호층을 형성하지 못한다는 것이다. 고체전해질 계면(Solid Electrolyte Interphase, SEI)이라고 하는 이 보호층은 리튬이온이 배터리의 충전 및 방전을 위해 음극을 자유롭게 드나들 수 있도록 하는 데 중요한 역할을 한다. 
아르곤 연구팀은 수백 사이클 동안 견고한 보호막을 유지하는 새로운 불소 용매를 발견했다. 이 용매는 양전하(양이온)를 띠는 불소 성분과 음전하(음이온)를 띠는 불소 성분으로 구성된다. 이 조합을 과학자들은 양이온과 음이온으로 구성된 액체, 즉 이온성 액체라고 부른다. 
 

연구팀은 원자 규모에서 이러한 차이의 메커니즘을 자세히 이해하기 위해 아르곤 리더십 컴퓨팅 시설(Argonne Leadership Computing Facility, ALCF)의 고성능 컴퓨팅 자원을 활용했다. 
연구팀에 따르면, ALCF의 수퍼컴퓨터인 쎄타(Theta)에서 시뮬레이션한 결과, 불소 양이온이 충전-방전 주기 전에 음극과 양극 표면에 달라붙어 축적되는 것으로 나타났다. 이어 사이클링의 초기 단계에서 이전 전해질로 가능했던 것보다 우수한 탄력적인 SEI 층이 형성된다. 
아르곤국립연구소와 태평양노스웨스트국립연구소(Pacific Northwest National Laboratory)의 고해상도 전자현미경 분석 결과, 음극과 양극에 있는 높은 보호성 SEI 층이 안정적인 사이클링을 이끈다는 사실이 확인됐다. 

연구팀은 불소 용매와 리튬 염의 비율을 조정하여 너무 두껍거나 얇지 않은 SEI 두께와 함께 최적의 특성을 가진 층을 형성할 수 있었다. 이 층으로 인해, 리튬이온은 수백 사이클 동안 충전 및 방전 중에 전극을 효율적으로 드나들 수 있다. 

연구팀이 개발한 새로운 전해질은 차량 주행거리를 향상시키고, 기존 설계보다 비용이 적게 들며, 용매 사용 감소로 인한 환경적 이점을 제공한다. 또한, 전해질이 불연성이기 때문에 더 안전하다.

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AEM_Automotive Electronics Magazine