배터리 전극 단순 코팅했더니…전기차 급속충전 500회해도 성능 83.4% 유지

전기연·한양대·경희대 연구팀, 성능 검증 완료…국내·외 특허 등록

(지디넷코리아=박희범 기자)전기차 급속 충전을 1~2년 이상하면 성능이 뚝 떨어지는 문제를 국내 연구진이 음극재에 간단한 코팅만으로 해결했다.

한국전기연구원(KERI)은 전기소재공정연구센터 최정희 박사 연구팀이 한양대 이종원 교수팀, 경희대 박민식 교수팀과 공동으로 500회 급속 충전에도 83.4% 성능을 유지하는 공정 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

전기연구원 최정희 박사가 산화알루미늄 분산액(왼쪽)과 음극 전극을 들고 있다.(사진=전기연)

연구팀은 현재 500㎃h급 파우치 셀까지 성능을 검증했다. 향후 용량을 늘려 대면적 중대형 전지에도 적용할 계획이다.

이종원 교수는 "전기차 보급을 확대하는 데 가장 큰 걸림돌은 주행거리 향상과 안전성 확보, 급속 충전"이라며 "특히, 급속 충전을 위해 배터리 내부에 들어가는 전극 두께를 두껍게 만들면 열화 현상이 발생해 성능이 뚝 떨어진다"고 말했다.

연구팀은 이들 걸림돌 가운데 열화 문제를 리튬이온전지 음극(-) 극판 표면에 1㎛이하의 아주 작은 ‘산화알루미늄(Al₂O₃)’ 입자를 부분 코팅하는 방법으로 해결했다.

산화알루미늄 장점은 가격이 저렴하다. 우수한 전기 절연성, 내열성, 화학적 안정성, 기계적 특성을 보유하고 있다.

이종원 교수는 "산화알루미늄 입자가 리튬이온전지 음극과 전해질 간 계면을 효과적으로 제어하고, 리튬 이온의 빠른 이동을 유도했다"며 "급속충전 시에도 리튬의 전착(충·방전이 불가능한 비가역적 리튬)을 막고, 리튬이온전지의 안정적인 충·방전 수명을 확보했다"고 설명했다.

산화알루미늄 코팅 전후 리튬이온전지 음극(-) 비교. 빨강색 원 내는 전착이 나타난 모습.

이 교수는 "흑연 음극 표면을 처리하기 때문에 가역적인 리튬의 양 감소 없이, 고에너지밀도의 후막 전극에 대해 급속충전을 적용해도 안정적인 성능 구현이 가능하다"고 부연설명했다.

연구팀이 흑연 음극재에 산화알루미늄을 코팅한 뒤 성능을 검증한 결과 고에너지밀도의 음극 전극(4.4 ㎃h/㎠)이 500회 급속충전에도 83.4% 이상 잔류 용량비를 유지했다. 반면 기존 배터리는 용량 유지율이 500회 급속 충전시 55.9%로 떨어진다.

이종원 교수는 "그동안 국내외 연구진들은 열화 문제 해결 방법으로 전극 내부 활물질 소재에 집중해 왔다"며 "우린 간단한 코팅만으로 이문제를 해결하고 우리나라와 미국 특허도 확보했다"고 덧붙였다.

연구는 삼성미래기술육성사업 및 산업부 산업기술혁신사업(전기차 고출력 배터리 및 충전시스템 기술 개발)의 예산을 지원받아 수행했다.

산화알루미늄 분산액(왼쪽)과 이를 적용한 리튬이온전지 음극 전극.(사진=전기연)

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)