[더테크=조재호 기자] 한국전기연구원(KERI)이 전기차 배터리 급속충전에서 리튬이온전지(LIB) 성능이 저하되지 않는 기술을 개발했다. 전기차 보급 확대의 핵심 요소로 꼽히는 사용자 편의성이 한층 더 강화될 전망이다.

KERI는 27일 전기소재공정연구센터 최정희 박사팀이 한양대 이종원 교수팀, 경희대 박민식 교수팀과 함께 급속충전 조건에서도 LIB의 충·방전 안정성 확보 및 장수명을 실현할 수 있는 핵심기술을 개발했다고 밝혔다.

고에너지밀도 LIB는 전극을 두껍게 설계하는데 지속적인 급속충전 과정에서 전극이 열화하면서 성능이 떨어지는 문제가 있었다. 이에 최정희 박사팀은 음극 극판 표면에 1마이크로미터(㎛) 이하의 얇은 ‘산화알루미늄’ 입자를 부분 코팅해 문제를 해결했다.

그동안 국내외 연구진이 음극에 기능성 나노기술을 도입하는 등 주로 전극 내부의 활물질 소재에 집중했다면 최 박사팀은 표면에 산화알루미늄을 코팅하는 단순한 처리 기술로 문제를 해결했다.

산화알루미늄은 가격이 저렴하고 우수한 전기 절연성·내열성·화학적 안정성·기계적 특성을 보유해 각종 세라믹 분야에서 널리 사용되는 물질이다. 최 박사팀은 산화알루미늄 입자가 LIB 음극과 전해질 사이 계면을 효과적으로 제어하고 리튬 이온의 빠른 이동을 유도한다는 것을 확인했다. 이를 통해 급속충전에서도 리튬이 충·방전이 불가능해지는 전착 현상을 막고 안정적인 수명을 확보할 수 있었다.

최 박사팀이 개발한 기술의 또 다른 장점으로는 LIB의 고에너지밀도화를 추진할 수 있다는 점이다. LIB의 성능과 안정성을 높이기 위해 전극 내부 소재에 다른 기능성 소재를 도입하면 합성 공정도 복잡해지고 리튬의 초기효율이 떨어진다. 아울러 전극의 두께가 늘어나고 급속충전 성능도 떨어진다.

그러나 이번에 개발된 기술은 음극의 내부가 아닌 표면처리 방식으로 리튬의 효율 감소 없이 고에너지밀도의 급속충전을 진행해도 안정적인 성능 구현이 가능하다.

연구팀은 다양한 검증을 통해 산화알루미늄이 코팅된 고에너지밀도의 음극 전극이 500회 급속충전에도 83.4% 이상 성능을 유지하는 등 세계최고 수준의 우수성을 지닌 것으로 확인했다. 현재 500mAh급 파우치 셀까지 효과 검증을 진행하고 향후 대면적 중대형 전지에도 적용될 수 있도록 기술을 발전시킨다는 계획이다.

최정희 박사는 “편리한 급속충전과 리튬이온전지의 에너지밀도는 상충 관계처럼 여겨져 전기차의 대중화를 막는 원인 중 하나였다”며 “우리의 성괄르 통해 급속충전에도 안정적인 고에너지밀도 리튬이온전지를 구현할 수 있을 것으로 기대하고 전기차 보급 확대와 범국가적 탄소중립 실현에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 전했다.

이번 연구 결과는 국내와 미국 특허 등록을 마쳤으며 재료 공학 분야 저명 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’에도 게재됐다.