전기차 급속충전에도 안정적
전기연구원(KERI)이 산화알루미늄 코팅을 기반하는 '음극 표면처리 기술'을 개발, 전기차 급속충전에도 안정적인 고에너지밀도 리튬이온전지를 구현해냈다.
KERI 전기소재공정연구센터 최정희 박사팀은 한양대 이종원 교수팀, 경희대 박민식 교수팀과 함께 급속충전 조건에서도 리튬이온전지의 충·방전 안정성 확보 및 장수명(long-life)을 실현할 수 있는 핵심기술을 개발했다고 27일 밝혔다.
KERI는 리튬이온전지 음극(-) 극판 표면에 1마이크로미터(㎛) 이하의 아주 작은 '산화알루미늄(Al2O3)' 입자를 부분 코팅하는 단순한 처리 기술로 문제를 해결했다.
산화알루미늄은 가격이 저렴하고, 우수한 전기 절연성, 내열성, 화학적 안정성, 기계적 특성을 보유하고 있어 각종 세라믹 분야에서 널리 사용되고 있는 물질이다.
KERI 연구진은 산화알루미늄 입자가 리튬이온전지 음극과 전해질 간의 계면을 효과적으로 제어하고, 리튬 이온의 빠른 이동을 유도한다는 것을 확인했다.
이를 통해 급속충전 시에도 리튬의 전착(충·방전이 불가능한 비가역적 리튬)을 막고, 리튬이온전지의 안정적인 충·방전 수명을 확보할 수 있었다.
기술의 또 다른 장점은 리튬이온전지의 고에너지밀도화를 추진할 수 있다는 것이다.
KERI 기술은 내부가 아닌 흑연 음극 표면을 처리하기 때문에 가역적인 리튬의 양 감소 없이, 고에너지밀도의 후막 전극에 대해 급속충전을 적용해도 안정적인 성능 구현이 가능하다.
연구팀은 다양한 검증을 통해 산화알루미늄이 코팅된 고에너지밀도의 음극 전극(4.4 mAh/cm2)이 500회의 급속충전에도 83.4% 이상 성능(잔류 용량비)을 유지하는 등 세계최고 수준의 우수성을 가지는 것을 확인했다.
현재 500mAh급 파우치 셀까지 효과 검증을 진행했고, 향후 스케일 업을 통해 대면적 중대형 용량의 전지에서도 적용될 수 있도록 기술을 발전시킨다는 계획이다.
최정희 박사는 "편리한 급속충전과 리튬이온전지의 에너지밀도는 상충 관계(trade-off)처럼 여겨져 전기차의 대중화를 막는 원인 중 하나"라며 "우리의 성과를 통해 급속충전에도 안정적인 고에너지밀도 리튬이온전지를 구현할 수 있을 것으로 기대하고, 전기차 보급 확대와 범국가적 탄소중립 실현에 크게 기여할 수 있을 것"이라고 전했다.