리튬이온전지 수명 갉아먹는 급속 충전…산화알루미늄 코팅으로 해결했다

최정희 한국전기연구원 책임연구원 연구진
500회 고속 충전 반복 후에도 성능 83.4% 유지

최정희 한국전기연구원 책임연구원이 산화알루미늄 분산액(왼쪽)과 이를 코팅한 리튬이온전지 음극(오른쪽)을 들고 있다. 산화알루미늄 코팅 기술은 500회의 고속 충전에도 리튬이온전지의 수명을 83.4% 수준으로 유지할 수 있게 돕는다./한국전기연구원

국내 연구진이 리튬이온전지의 고속 충전을 반복하더라도 수명 저하를 막을 수 있는 코팅 기술을 개발했다. 급속 충전은 전기차 운전자의 편의성을 높이는 기술이지만, 전지 수명과 성능의 급격한 감소를 유발한다는 문제가 있었다. 간단한 공정으로 급속 충전의 한계를 해결해 전기차 보급 속도를 높일 수 있을 것으로 기대를 모은다.

최정희 한국전기연구원 전기소재·공정연구센터 책임연구원이 이끄는 연구진은 27일 리튬이온전지 음극 표면에 산화알루미늄(Al₂O₃)을 코팅해 전지의 수명과 안정성을 개선하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구에는 이종원 한양대 교수, 박민식 경희대 교수 연구진이 함께 참여했다.

전지의 에너지 밀도는 전기차의 주행거리, 충전 속도와 밀접하게 연관돼 있다. 그러나 리튬이온전지의 에너지 밀도를 높이려면 전극의 두께를 키워야 하는데, 이 경우 급속 충전을 반복하면 온도가 오르며 전극 구조가 불안정해지는 ‘열화’ 현상이 발생한다. 열화 현상은 배터리의 수명을 단축하는 주요 원인 중 하나다.

전기연 연구진은 이 같은 문제를 해결하기 위해 리튬이온전지의 음극 표면에 1㎛(마이크로미터·1㎛는 100만 분의 1m) 크기의 산화알루미늄 입자를 코팅했다. 기존 연구에서는 열화 현상을 최소화하기 위해 전극을 이루는 물질을 개선하려고 시도했으나 표면에 코팅을 하는 단순한 기술로 해결책을 제시하는 데 성공했다.

리튬이온전지를 급속 충전할 때 리튬이 음극 표면에서 결정(crystal)을 만드는 현상이 일어난다. 마치 돌기 같은 모양이라는 의미에서 ‘덴드라이트’라고 불리는 이 결정은 전지의 안정성과 수명을 낮추는 주요 원인으로 꼽힌다. 그러나 산화알루미늄을 음극 표면에 코팅하면 리튬 이온의 이동 속도가 빨라지며 덴드라이트가 적게 만들어지며 안정성과 수명을 높이는 데 효과가 있는 것으로 나타났다.

산화알루미늄 코팅이 덴드라이트 형성을 막는 동시에 전지의 에너지 밀도도 높이는 공정에도 활용할 수 있다고 연구진은 설명했다. 전지의 성능과 안정성을 높이려면 전극 내부에 기능성 소재를 사용해야 한다. 그러나 여러 소재를 사용하면 합성 공정이 복잡해져 생산 비용이 비싸지고 전극의 두께가 두꺼워지면서 에너지 효율이 떨어진다는 한계가 있다. 이번에 개발한 코팅 기술을 활용하면 효율 저하 없이 급속 충전 효율을 높일 수 있다.

산화알루미늄을 코팅한 전지는 500회의 급속 충전을 반복한 이후에도 83.4%의 성능을 유지하는 것으로 나타났다. 현재까지 500mAh 급 파우치 셀에서 효과를 확인했으며 후속 연구를 통해 중대형 용량의 전지에 적용할 방법을 찾을 계획이다.

최 책임연구원은 “편리한 급속충전과 리튬이온전지의 에너지밀도는 상충 관계로 여겨져 전기차의 대중화를 막는 원인 중 하나”라며 “우리의 성과를 통해 급속충전에도 안정적인 고에너지밀도 리튬이온전지를 구현하고, 전기차 보급 확대와 범국가적 탄소중립 실현에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’에 지난달 29일 소개됐다.

참고자료

Adnvaced Functional Materials, DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202400414

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