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흑연계 LiB(리튬이온전지) 음극재의 충전 원리를 규명할 수 있는 기술이 개발됐다.
일본 도레이(Toray) 그룹 계열사 Toray Research Center(TRC)는 에테르계 농후화 전해액을 이용한 흑연계 음극재의 충·방전 특성 변화 예측 가능성을 제시했다. 농후화는 전해질염의 농도를 높여 LiB 성능의 대폭적인 향상에 기여하는 기술로 주목받고 있다.
TRC는 해석방법 개발에 있어 전해질에 LiFSI(Lithium Bis(fluorosulfonyl)imide)와 용매에 DME(Dimethyl Ether)를 사용한 것으로 알려졌다.
전해질 농도가 상이한 전해액에 대해 레이저 라만 분광법으로 용매화 구조를 추정하고, 밀도범함수(DFT) 이론을 활용해 구조 최적화 계산을 수행해 라만 스펙트럼을 재현 가능한 용매화 구조를 가정했다. 
이어서 전자친화력을 산출해 전해액의 환원내성을 추정하는 동시에 환원분해 반응경로 등을 예측했으며 흑연 음극재와 각각의 전해액을 적용한 하프셀로 15사이클 충·방전 테스트 결과 4몰농도 전해액 타입이 양호한 사이클 특성을 나타냄을 확인했다.
TRC에 따르면, 전해액을 농후화함으로써 용매화수(Solvation Number)가 감소해 환원 안전성이 낮은 용매화 구조가 생성되나 환원분해 과정에서 생성하는 무기피막이 지속적인 전해액 분해를 억제하는 것으로 추정된다.
SEI(Solid Electrolyte Interphase) 피막은 두께가 최적일 때는 전해액의 분해를 억제하지만 두꺼워질수록 전기저항이 높아지기 때문에 성능 저하를 유발하는 것으로 알려졌다.
연구진은 “SEI 피막 조성분석 결과와 용매화 구조 및 전자친화력을 대조해 전해질 농도에 의존하는 환원분해내성 및 전해액을 이용할 때의 충·방전 특성 변화를 예측할 수 있을 가능성이 있다”고 강조했다.
TRC는 에테르계 전해액과 흑연계 음극의 최적 조합을 확립하기 위해 연구·개발을 이어갈 방침이다. (윤)