한국전기연구원(KERI) 전기소재공정연구센터 최정희 박사팀이 한양대 이종원 교수팀, 경희대 박민식 교수팀과 함께 급속충전 조건에서도 리튬이온전지 충·방전 안정성을 확보해 긴 수명을 실현할 수 있는 핵심기술을 개발했다.
전기차 보급 확대를 위한 가장 핵심적인 해결 과제에는 주행거리 상승과 안전성 확보 등 기술적 이슈가 있으며 사용자 편의를 위한 빠른 충전 속도도 요구된다. 문제는 고에너지밀도 리튬이온전지를 설계하기 위해서는 전극 두께가 높아야 하는데 이 경우 지속적인 급속충전 시 열화 발생 등 전지 성능이 크게 떨어진다는 점이다.
KERI 연구진은 리튬이온전지 음극판 표면에 1마이크로미터(㎛) 이하의 아주 작은 산화알루미늄(Al2O3) 입자를 부분 코팅하는 방법을 적용했다. 그동안 국내외 많은 연구진이 음극 소재에 기능성 나노기술을 도입하는 등 주로 전극 내부 활물질 소재에 집중했다면 연구진은 전극 표면에 산화알루미늄을 코팅하는 단순한 처리 기술로 문제를 해결했다.
산화알루미늄은 가격이 저렴하고 우수한 전기 절연성, 내열성, 화학적 안정성, 기계적 특성을 갖고 있어 세라믹 분야에서 널리 사용되고 있는 물질이다. KERI 연구진은 산화알루미늄 입자가 리튬이온전지 음극과 전해질 간 계면을 효과적으로 제어하고 리튬 이온의 빠른 이동을 유도한다는 것을 확인했다. 나아가 급속충전 시에도 리튬이온전지의 안정적인 충·방전 수명을 확보했다.
이를 통해 리튬이온전지 고에너지밀도화를 추진할 수 있다는 점도 성과다. 리튬이온전지 성능과 안정성을 높이기 위해 전극 내부 소재에 다른 기능성 소재를 도입하면 합성 공정도 복잡하고 리튬 양이 감소해 초기효율이 떨어지는 단점이 발생한다. 전극 두께도 두꺼워지고 급속충전 조건에서 성능이 떨어질 수밖에 없다. KERI 연구진이 개발한 기술은 내부가 아닌 흑연 음극 표면을 처리하기 때문에 리튬 양 감소 없이 고에너지밀도 후막 전극에 대해 급속충전을 적용해도 안정적인 성능 구현이 가능하다.
연구진은 다양한 검증을 통해 산화알루미늄이 코팅된 고에너지밀도 음극 전극(4.4mAh/㎠)이 500회 급속 충전에도 83.4% 이상 성능을 유지하는 등 세계 최고 수준의 우수성을 갖는 것을 확인했다. 현재 500mAh급 파우치 셀까지 효과 검증을 했고 향후 스케일 업을 통해 대면적 중대형 용량의 전지에서도 적용될 수 있도록 기술을 발전시킬 계획이다.
최 박사는 “편리한 급속 충전과 리튬이온전지 에너지밀도는 상충관계처럼 여겨져 전기차 대중화를 막는 원인 중 하나였으나 이번 연구 성과를 통해 급속 충전에도 안정적인 고에너지밀도 리튬이온전지를 구현할 수 있을 것으로 기대한다”면서 “전기차 보급 확대와 국가적 탄소중립 실현에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
창원=노동균기자 defrost@etnews.com