경북대·ETRI, 고에너지밀도 리튬전지 ‘12분 고속충전’ 핵심 원리 규명

오지민 교수.

전기차·드론·로봇 등 차세대 모빌리티에 쓰이는 고에너지밀도 리튬전지를 약 12분 수준으로 급속 충전할 수 있는 핵심 원리가 국내 연구진에 의해 밝혀졌다.

경북대학교 스마트모빌리티공학과 오지민 교수팀은 한국전자통신연구원(ETRI) 이명주 박사와 공동연구를 통해, 고니켈 함량 양극을 사용하는 고에너지밀도 리튬전지의 급속 충전을 가능하게 하는 전해질 설계와 전극 표면 성능 향상 메커니즘을 규명했다.

고니켈 함량 리튬전지는 에너지밀도가 높아 주행거리와 사용 시간을 늘릴 수 있는 장점이 있지만, 충전 속도를 크게 높일 경우 덴드라이트 석출, 리튬 이온 이동 지연, 충·방전 과정에서의 전극 열화 등으로 급속 충전에 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제의 해법으로 전해질 설계에 주목했다. 리튬 이온 이동이 빠른 에테르계 전해질에 급속 충전 시 전극을 보호하는 첨가제 FEC(플루오로에틸렌 카보네이트)를 적절히 도입한 결과, 5C 이상의 고출력 조건에서도 약 12분 수준의 안정적인 급속 충·방전이 가능함을 확인했다.

특히 FEC는 충·방전 과정에서 불화리튬(LiF) 성분의 단단한 보호층을 전극 표면은 물론 내부까지 형성해, 양극과 음극 모두에서 리튬 이온이 안정적으로 이동하도록 돕는 것으로 나타났다. 이 보호층은 고출력 조건에서 전극 열화와 내부 저항 증가를 효과적으로 억제하는 역할을 했다.

연구팀은 또 설계 용량과 니켈 함량이 서로 다른 NCM(니켈·코발트·망간) 계열 양극 소재를 비교 분석해, 전극 설계 조건에 따라 계면 전도 특성과 이온 이동 거동이 달라진다는 점을 체계적으로 규명했다. 이는 급속 충전 성능을 좌우하는 질량 이동(mass migration) 특성의 중요성을 실험적으로 입증한 결과다.

오지민 교수는 “이번 연구는 전해질과 전극을 함께 고려하는 ‘통합 설계 전략’의 필요성을 보여준 사례”라며 “고에너지밀도 리튬전지의 급속 충전 한계를 개선할 수 있는 설계 방향과 가이드라인을 제시했다”고 말했다. 

이어 “전해질 계면에서 형성되는 무기 보호층의 역할과 급속 충전 성능 저하의 근본 메커니즘을 규명한 만큼, 전기차와 에너지저장장치(ESS), 드론, 로봇 등 다양한 응용 분야의 성능 향상에 기여할 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구는 경북대 우수신임교원 정착연구비사업을 비롯해 한국연구재단 글로벌기초연구실지원사업, 한국산업기술기획평가원 주력산업 IT융합사업, 중소기업기술정보진흥원 중소기업기술혁신개발사업의 지원으로 수행됐다. 

교신저자는 오지민 교수, 제1저자는 이명주 박사이며, 공동저자는 영남대 김진서 연구원이다. 연구 결과는 공학·융합 분야 국제 학술지 Results in Engineering에 지난해 12월 25일 온라인 게재됐다.

/김락현기자 [e-mail]