전극 곡률 최적화로 원통형 전지 성능 높인다

정경민 UNIST 교수팀
원통형 전지 전극 곡률 최적화 설계 제시

정경민 UNIST 교수(위)와 전병진 연구원(아래 왼쪽), 이영현 연구원

원통형 전지의 곡률을 고려한 전극 설계로 전지 성능을 높일 수 있다는 연구 결과가 나왔다.

정경민 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수팀은 원통형 전지 전극의 곡률이 전기화학적 성능에 미치는 영향을 규명하고, 이를 고려한 최적 전극 설계 방안을 도출했다고 6일 밝혔다.

원통형 전지는 음극과 양극 사이에 분리막을 끼워 차곡차곡 쌓은 다음 이를 돌돌 말아서 만든다. 음극, 분리막, 양극, 분리막을 1세트로 치면 보통 전기차의 원통형 전시 셀(cell) 1개 안에는 20~ 60세트가 말려 있다.

정 교수팀은 원통형 전지의 이 같은 곡률 특성 때문에 세트별 음극과 양극 간 접촉 면적이 달라지고, 이에 따라 음극과 양극의 용량비도 이상적인 설계 값에서 벗어날 수 있다고 보았다. 일반적으로 전지를 설계할 때는 리튬 금속 석출 예방과 고속 충전을 위해 음극 용량을 양극 용량보다 더 크게 설계한다.

정 교수팀은 다양한 곡률 조건을 모사한 실험용 곡률형 단판 셀을 제작해 기존 상용 21700 원통형 전지와 비교 분석했다. 그 결과 전극 용량비가 전극 위치에 따라 달라지는 것을 확인했다. 곡률이 큰 중심부 영역에서는 저온 또는 고전압 충전 시 리튬 금속 석출 위험이 뚜렷하게 증가했다. 리튬 금속 석출은 단락을 일으킨다. 또 대용량 하이니켈 양극재에서 이러한 곡률 민감도는 더 컸다.

원통형 리튬이온 전지 X-ray CT 이미지 및 전극 반응 인터페이스 비교

정 교수팀은 이를 해결하기 위해 전극의 양면 두께를 각각 조정하는 설계 전략을 제시했다. 음극과 양극 간 접촉 면적 비율 변화 때문에 발생하는 용량비 변화를 전극 두께 조정을 통해 보정한 원리다.

정경민 교수는 “원통형 전지 설계에서 전극 곡률이 중요한 설계 변수임을 확인했다. 전지 성능과 안정성을 위해서는 소재 특성을 반영하는 것뿐만 아니라, 전극 곡률까지 함께 고려한 고도화된 접근이 필요하다”고 말했다.

이번 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원(KIAT)이 지원하는 산업혁신기반구축사업 '고출력 이차전지 소재·부품 대응용 성능검증 플랫폼 기반구축' 과제 성과다. 연구 성과는 에너지 분야 국제 학술지 '에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy storage materials)'에 실렸다.

울산=임동식기자 dslim@etnews.com