경북대 스마트모빌리티공학과 오지민 교수팀, ETRI 이명주 박사와 공동연구 통해
배터리 전극 보호하면서 급속 충전 가능하게 해주는 첨가제 적절히 활용
전기차·드론·로봇 등 차세대 모빌리티에 사용되는 고에너지밀도 리튬전지를 약 12분 수준으로 급속 충전할 수 있는 원리를 밝힌 연구 결과가 경북대에서 나왔다.
경북대 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 한 번 충전으로 더 오래 사용할 수 있지만, 충전 속도를 크게 높일 경우 여러 문제가 발생해 급속 충전에 한계가 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 전해질 설계에 주목했다. 리튬 이온 이동이 빠른 에테르계 전해질에 배터리 전극을 보호해 급속 충전을 가능하게 하는 첨가제인 FEC(플루오로에틸렌 카보네이트)를 적절히 도입했고, 그 결과 12분 수준의 급속 충전 조건에서도 안정적인 충·방전 성능을 구현할 수 있음을 확인했다.
특히 FEC는 충·방전 과정에서 불화리튬(LiF) 성분의 단단한 보호층을 전극 표면은 물론 내부까지 형성해, 양극과 음극 모두에서 리튬 이온이 안정적으로 이동하도록 돕는 역할을 하는 것으로 나타났다. 이로 인해 고출력 조건에서도 전극 열화와 내부 저항 증가가 효과적으로 억제됐다.
또한, 연구팀은 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. "급속 충전 성능을 좌우하는 질량 이동(mass migration) 특성의 중요성을 실험적으로 보여주는 결과"라고 연구팀은 설명했다.
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 했다.
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.
