인하대, 리튬이온전지 충전 시간 최대 20% 단축 충전 성공

인하대학교 전경.(인하대 제공)2024.3.12 ⓒ News1

(인천=뉴스1) 박소영 기자 = 인하대학교는 김홍근 기계공학과 교수 연구팀이 최근 리튬이온전지(LIB)의 충전 시간을 최대 20%까지 단축할 수 있는 충전 프로토콜을 제시했다고 17일 밝혔다.

김홍근 교수 연구팀은 리튬이온전지의 급속충전 과정에서 발생하는 리튬 석출(Li-plating)을 억제했다.

리튬 석출은 급속충전 시 음극 표면에 리튬 금속이 달라붙는 현상이다. 이는 전국에 균열과 수명 저하를 일으킬 뿐 아니라 리튬 수지상(dendrite)이 자라면서 분리막을 뚫고 지나갈 수 있다.

그렇게 되면 배터리 속 양극과 음극이 직접 닿아 순간 발열이 생기고, 발열이 폭발적인 연쇄 반응을 일으켜 화재·폭발 사고로 이어질 수 있다. 급속충전 기술에서 성능과 안전을 고려했을 때 리튬 석출 억제가 필수적인 이유다.

연구팀은 배터리 전극·전해질의 내부 움직임·변화를 해석하는 전기화학-열 모델에 베이지안 최적화(BO)를 결합했다. 베이지안 최적화는 시뮬레이션을 통해 어떤 문제의 최적값을 효율적으로 찾는 방법이다.

연구팀은 충전 시간 최소화와 함께 전압 상한, 온도 상한, 리튬 석출 전위 한계 등을 제약 조건으로 직접 반영했다. 특히 배터리 저항에 따라 충전 구간을 충전 상태(SOC) 0~40%와 40~80%로 나누어 각각 최적화하는 바이섹션(BS-BO-MCC) 전략을 도입해 전체를 한 번에 최적화하는 싱글 섹션(SS-BO-MCC) 대비 최대 11% 추가 단축을 이끌었다.

연구 결과를 바탕으로 상용 55.6Ah 파우치셀로 전압·온도 흐름을 측정하고, 전기화학-열 모델 결과와 비교했을 때 높은 수준으로 일치했다. 전 구간에서 리튬 석출 안전 마진(≥10–40mV)을 유지하며 급속충전을 구현한 것이다. 또한 사후 분석에서 표준 CCCV 충전 대비 고체 전해질 계면막의 성장과 표면 리튬 침적이 현저히 낮다는 사실을 주사 전자 현미경·X선 광전자 분광법을 통해 확인했다. 열화 억제 효과와 함께 안전성 향상을 입증한 것이다.

대형 상용 55.6Ah 파우치셀을 대상으로 모델·실험 동시 검증을 수행했다는 점에서 현장 적용성이 주목된다.

특히 예열 조건을 병행한 평가에서 연구팀의 베이지안 최적화 기반 프로토콜은 629초 만에 충전 상태 0%에서 80%에 도달해 미국 자동차 배터리 컨소시엄이 제시한 ‘15분 이내 80%’라는 극한급속충전 목표를 충족했다.

김홍근 인하대 기계공학과 교수는 "복잡한 신소재 개발 없이도 물리 모델과 데이터 기반 최적화를 결합하면 급속충전의 속도·수명·안전 트레이드 오프를 동시에 개선할 수 있음을 대형 상용 셀에서 검증했다"며 "앞으로 실시간 진단·적응형 제어(BMS 연계)로 확대해 현장 적용을 앞당기겠다"고 말했다.

imsoyoung@news1.kr