500회 급속충전에도 배터리가 끄떡 없다

전기연구원, 음극 표면 코팅기술 개발
산화알루미늄이 리튬이온 이동 빨리해
급속충전에도 리튬 달라붙는 것 막아

전기연구원 최정희 박사가 산화알루미늄 분산액(왼쪽)과 이를 적용한 리튬이온 배터리 음극을 보여주고 있다. 전기연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국전기연구원(KERI) 전기소재공정연구센터 최정희 박사팀이 리튬이온 배터리를 급속충전해도 안정적이고 내구성까지 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 한양대 이종원 교수팀, 경희대 박민식 교수팀과 함께 개발한 이 기술은 국내는 물론 미국 특허 등록까지 마쳤다.

최정희 박사는 "편리한 급속충전과 리튬이온 배터리의 에너지밀도는 상충 관계처럼 여겨져 전기차 확산을 막는 원인 중 하나"라며, "이번에 개발한 기술을 통해 전기차 보급 확대와 범국가적 탄소중립 실현에 크게 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

27일 전기연구원에 따르면, 연구진이 개발한 기술은 배터리 음극 표면에 마이크로미터(㎛) 이하의 아주 작은 '산화알루미늄' 입자를 부분 코팅하는 것이다.

산화알루미늄으로 코팅한 음극으로 에너지밀도가 4.4 ㎃h/㎠의 리튬이온 배터리를 테스트한 결과, 500회의 급속충전에도 잔류 용량이 83.4% 이상을 유지했다. 연구진은 "이는 세계최고 수준의 우수성을 가지는 것"이라고 말했다.

현재 500㎃h급 파우치 셀까지 효과 검증을 마쳤고, 향후 스케일 업을 통해 대면적 중대형 용량의 배터리에서도 적용될 수 있도록 기술을 끌어올린다는 계획이다.

전기차 보급 확대를 위한 가장 핵심적인 해결 과제에는 주행거리 상승과 안전성 확보, 빠른 충전속도가 있다. 하지만, 고에너지밀도의 리튬이온 배터리를 설계하기 위해서는 전극을 두껍게 해야 하는데, 이럴 경우 계속 급속충전을 하게 되면 배터리의 성능이 떨어지게 된다..

산화알루미늄 분산액(왼쪽)과 이 표면에 코팅한 리튬이온 배터리 음극. 전기연구원 제공

그동안 국내외 많은 연구진이 흑연 등 음극 소재에 기능성 나노기술을 도입하는 등 주로 전극 내부에 집중했다면, 연구진은 전극 표면을 코팅하는 단순한 처리 기술로 문제를 해결했다.

연구진은 "산화알루미늄은 가격이 저렴하고, 우수한 전기 절연성, 내열성, 화학적 안정성, 기계적 특성을 보유하고 있어 각종 세라믹 분야에서 널리 사용되고 있는 물질"이라고 설명했다.

연구진은 산화알루미늄 입자가 리튬이온전지 음극과 전해질 간의 계면을 효과적으로 제어하고, 리튬 이온의 빠른 이동을 유도한다는 것을 확인했다. 이를 통해 급속충전에도 리튬이 달라붙는 것을 막고, 리튬이온 배터리의 안정적인 충·방전 수명을 확보할 수 있었다.

또 이 기술은 리튬이온 배터리의 고에너지 밀도화를 추진할 수 있다.

리튬이온 배터리의 성능과 안정성을 높이기 위해 전극 내부 소재에 다른 기능성 소재를 도입하면 합성 공정도 복잡하고, 리튬의 양(초기효율)이 떨어지는 단점이 발생한다. 또한, 전극의 두께도 두꺼워지며, 급속충전 조건에서 성능이 떨어질 수밖에 없다.

그러나 이 기술은 내부가 아닌 흑연 음극 표면을 처리하기 때문에 리튬의 양 감소 없이도 고에너지밀도의 후막 전극에 대해 급속충전을 적용해도 안정적인 성능 유지가 가능하다.

한편, 연구진은 이번에 개발한 기술을 재료공학 분야 국제 저명 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 발표했다.
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monarch@fnnews.com 김만기 기자

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