한국전기연구원(KERI, 이하 전기연)은 전기소재공정연구센터 최정희 박사팀이 한양대 이종원 교수팀, 경희대 박민식 교수팀과 함께 급속충전 조건에서도 리튬이온전지의 충·방전 안정성을 확보해 수명을 연장하는 핵심기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

최정희 한국전기연구원 박사가 산화알루미늄 분산액과 이를 적용한 리튬이온전지 음극(-) 전극을 들고 있다./전기연/

전기연에 따르면 고에너지밀도의 리튬이온전지를 설계하기 위해서는 두꺼운 전극이 필요한데, 이 경우 지속적인 급속충전 시 열화(劣化) 발생 등 전지의 성능이 떨어지는 문제가 발생했다.

전기연은 리튬이온전지 음극(-) 극판 표면에 1마이크로미터(㎛) 이하의 산화알루미늄(Al2O3) 입자를 부분 코팅해 이 문제를 해결했다. 산화알루미늄은 가격이 저렴하고, 우수한 전기 절연성, 내열성, 화학적 안정성, 기계적 특성을 보유하고 있어 각종 세라믹 분야에서 널리 사용되고 있는 물질이다.

전기연 연구진은 산화알루미늄 입자가 리튬이온전지 음극과 전해질 간의 계면을 효과적으로 제어하고, 리튬 이온의 빠른 이동을 유도한다는 것을 확인했다.

이를 통해 급속충전 시에도 리튬의 전착을 막고, 리튬이온전지의 안정적인 충·방전 수명을 확보할 수 있었다.

이 기술의 또 다른 장점은 리튬이온전지의 고에너지밀도화를 추진할 수 있다는 것이다.

내부가 아닌 흑연 음극 표면을 처리하기 때문에 가역적인 리튬의 양 감소 없이, 고에너지밀도의 후막 전극에 대해 급속충전을 적용해도 안정적인 성능 구현이 가능하다.

연구팀은 다양한 검증을 통해 산화알루미늄이 코팅된 고에너지밀도의 음극 전극(4.4 mAh/㎠)이 500회의 급속충전에도 83.4% 이상 성능(잔류 용량비)을 유지하는 세계최고 수준의 우수성을 가지는 것을 확인했다. 현재 500mAh급 파우치 셀까지 효과 검증을 진행했고, 향후 스케일 업(scale-up)을 통해 대면적 중대형 용량의 전지에서도 적용될 수 있도록 기술을 발전시킨다는 계획이다.

최정희 박사는 “편리한 급속충전과 리튬이온전지의 에너지밀도는 상충 관계(trade-off)처럼 여겨져 전기차의 대중화를 막는 원인 중 하나”라며 “우리의 성과를 통해 급속충전에도 안정적인 고에너지밀도 리튬이온전지를 구현할 수 있을 것으로 기대하고, 전기차 보급 확대와 범국가적 탄소중립 실현에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

조규홍 기자 hong@knnews.co.kr