경북대·KAIST 공동연구팀, 레이저 구조화 전극 설계 제시

전기차 배터리 수명·출력 동시 향상 기술 개발

경북대 스마트모빌리티공학과 오지민 교수(왼쪽)와 KAIST 신소재공학과 홍승범 교수./ 경북대 제공

경북대학교와 KAIST 공동연구팀이 전기차와 에너지저장장치(ESS)에 사용되는 리튬이온전지의 충·방전 성능과 수명을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 전극 설계 기술을 개발했다.

경북대 스마트모빌리티공학과 오지민 교수팀과 KAIST 신소재공학과 홍승범 교수팀은 니켈·코발트·망간(NCM) 양극의 성능 저하 원인을 분석하고, 레이저 표면 구조화 기술과 전극 압착 공정을 결합한 새로운 전극 제조 전략을 제시했다고 밝혔다.

NCM 양극은 높은 에너지밀도로 전기차 주행거리 향상에 유리하지만, 배터리 용량 증대를 위해 전극을 강하게 압착할 경우 내부 공간이 줄어들어 리튬 이온 이동이 제한되고 내부 저항이 증가하는 문제가 있다. 이로 인해 출력과 수명이 저하되는 한계가 있었다.

연구팀은 기존 압착 공정에 정밀 레이저 표면 구조화 기술을 적용해 전극 표면에 주기적인 미세 구조를 형성했다. 이를 통해 리튬 이온 이동 경로를 효과적으로 제어하고 전해질 침투성을 높여 성능 저하 문제를 해결했다.

연구 결과, 최적화된 레이저 구조를 적용한 전극은 기존 압착 전극보다 계면 저항 증가를 약 56% 억제했으며, 고속 충·방전 환경에서도 우수한 용량 유지 특성을 보였다. 또한 충·방전 과정에서 형성되는 계면층(CEI)의 안정성이 향상되면서 니켈 용출이 약 30% 감소한 것으로 나타났다.

연구팀은 전기화학 변형 현미경(ESM)을 활용해 리튬 이온 이동 거동을 나노미터 수준에서 분석했다. 그 결과 레이저 구조화 전극은 기존 전극보다 리튬 이온 이동 특성이 2.3배 이상 향상됐고, 전극 내부 이온 이동의 불균일성은 약 50% 감소한 것으로 확인됐다.

아울러 표면 화학종 분석(XPS)을 통해 리튬 이온 전도성이 우수한 불화리튬(LiF) 기반 보호층이 안정적으로 형성됨을 확인했으며, 엑스선 회절 분석(XRD)에서는 반복 충·방전 이후에도 결정 구조 변화가 효과적으로 억제되는 것으로 나타났다.

오지민 교수는 “이번 연구는 전극 제조 공정을 단순 생산 단계가 아닌 전지 성능을 결정하는 핵심 설계 변수로 활용할 수 있음을 보여준 사례”라며 “레이저 표면 구조화를 통해 고에너지밀도 전지의 수명과 출력 특성을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 방향을 제시했다”고 말했다.

이어 “전기차와 드론, 로봇, ESS 등 차세대 모빌리티 및 에너지 산업 전반에서 고성능 리튬전지 개발을 위한 핵심 제조 기술로 활용될 것으로 기대한다”고 덧붙였다.

이번 연구는 한국연구재단(NRF)과 한국산업기술기획평가원(KEIT)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지인 케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal) 온라인판에 지난 3일 게재됐다. 교신저자는 오지민 교수와 홍승범 교수, 제1저자는 경북대 김진서 석사과정생과 KAIST 강채율 석사과정생이다.

/김락현기자 [e-mail]