전기차 시장이 빠르게 성장하고 있지만, 내연기관 차량과의 경쟁에서 뒤처지는 주행거리와 충전 시간은 지속적인 한계로 손꼽히고 있다. 기존 기술의 한계로 획기적인 성능 개선이 어려워 전기차 보급 확대를 위해서는 급속충전 기술 개발이 핵심으로 떠오르고 있다.
경희대학교 신소재공학과 박민식 교수 연구팀이 호주 울런공대학교 김정호 교수, 한양대학교 신소재공학부 이종원 교수와 공동연구를 진행해 전기차 개발의 핵심인 리튬이온전지용 고성능 천연흑연 음극소재를 개발했다.
이 소재는 리튬이온전지의 에너지밀도 손실 없이 급속충전 성능을 개선할 수 있다. 개발한 고성능 천연흑연 음극소재는 급속충전 성능을 높이면서도 리튬이온전지의 안정성과 수명을 늘렸다. 연구는 우수성을 인정받아 재료 분야의 세계적인 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’(Advanced Materials) 2월호에 게재됐다.
전기차용 리튬이온전지에 사용되는 흑연 음극소재는 높은 계면 저항으로 급속충전 시 리튬금속이 전착해 리튬이온전지의 성능 저하와 안정성 문제가 발생한다. 연구팀은 문제를 해결하기 위해 표면 제어 기술을 활용해 저가 천연흑연의 계면 특성을 최적화했다. 신규 기능성 코팅층을 도입해 천연흑연 음극소재의 계면 저항을 감소시키고 리튬이온전지에 급속충전을 가능하게 만들었다.
이를 기반으로 실험한 리튬이온전지는 약 300회의 충·방전 사이클이 지나도 88.8%의 용량 유지율을 달성했고 리튬금속 전착 없이 안정적으로 구동했다. 또한 저가의 천연흑연 음극소재를 사용해도 14.7분 만에 80%까지 충전이 가능함을 검증해 급속충전이 가능한 리튬이온전지 개발의 방향성을 제시했다.
연구를 진행한 박민식 교수는 “기능성 코팅층을 도입해 급속충전 성능을 획기적으로 개선할 새로운 접근법을 제시했다”며 “기존 흑연 음극소재의 한계를 넘어 새로운 설계인자를 제시해 큰 의미를 가진다”고 설명했다. 한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다.
헬로티 이창현 기자 |
