배터리 출력 75% 높여 ‘주행거리 확대’ 숙제 해결…국내 연구진, 전기차 대용량 전극 개발

울산과학기술원 정경민 교수팀

정경민 울산과학기술원 에너지화학공학과 교수(왼쪽 사진)와 전병진 연구원. UNIST 제공

전기차 주행거리 확대의 걸림돌로 지적돼온 출력 저하 문제를 해결할 배터리 전극 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 주행거리가 늘어나도 오르막길 가속에서 힘이 떨어지지 않는 전기차 개발에 청신호가 켜졌다.

울산과학기술원(UNIST)은 정경민 에너지화학공학과 교수팀이 전기차에 사용되는 배터리 출력을 기존 대비 약 75% 높인 대용량 전극을 개발했다고 5일 밝혔다.

전기차 시장에서 핵심 경쟁력으로 꼽히는 요소는 주행거리다. 이를 늘리기 위해 배터리 전극을 두껍게 쌓는 ‘후막 전극’ 기술이 활용되지만, 전극이 두꺼워질수록 리튬이온 이동 경로가 길어지고 구조가 복잡해져 순간 출력이 떨어지는 한계가 있었다. 이로 인해 오르막길 가속 등 고출력이 필요한 상황에서 성능 저하가 발생해왔다.

정 교수팀이 개발한 전극은 면적당 용량이 10㎃h/㎠에 달하는 고용량임에도 우수한 출력 성능을 유지하는 것이 특징이다. 30분 이내 완전 충·방전이 이뤄지는 고출력 조건에서 기존 전극의 면적당 용량이 0.98㎃h/㎠에 그친 반면, 새 전극은 1.71㎃h/㎠를 기록했다. 짧은 시간에 활용 가능한 전기 에너지가 약 75% 증가한 셈이다.

연구팀은 전극 내부 기공 구조에 주목해 새로운 전극 설계 방식을 제시했다. 전극에는 리튬이온 이동이 비교적 원활한 큰 기공(입자 간 기공)과, 도전재·바인더가 뭉치며 형성되는 미세 기공(CBD 구조)이 공존하는데, 이 가운데 미세 기공이 이온 이동을 방해한다는 점에 착안했다.

정 교수팀은 이중공극 전송선 모델(DTLM)을 자체 개발해 제조 공정과 도전재 함량을 정밀하게 조절하는 방식으로 전극 내부 구조를 최적화했다. 이를 통해 고용량과 고출력을 동시에 구현하는 데 성공했다.

정 교수는 “이번 성과는 설계 난도가 높은 리튬인산철(LFP) 배터리 등 차세대 배터리 기술 개발에도 중요한 전환점이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 에너지·환경 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Energy Materials’에 게재됐다.

김현수 기자 khs@kyunghyang.com

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