에너지시스템공학과 문장혁 교수 연구팀이 급속충전이 가능한 리튬이온 배터리의 계면 반응 속도를 향상시키는 기술을 개발하는 데 성공했다. 

최근 전기차 시장이 확대되면서 급속충전 배터리의 안정성에 대한 요구가 증가되고 있다. 여러 차례 배터리를 충전하는 과정에서 효율이 떨어지는 문제가 발생하기 때문이다. 동일하게 배터리를 ‘완충’하는 데에도 충전되는 양이 계속 줄어들면, 전기차 이용에 불편을 겪기 쉽다. 종국에는 배터리를 교체해야 하는 문제도 뒤따른다. 

연구팀은 배터리 안정성을 확보하기 위해 급속충전이 이뤄지는 고전압 조건에서 발생할 수 있는 리튬 메탈 증착 문제를 해결하는 데 집중했다. 선형 카보네이트 기반 LiPF6 고농도 전해질(LPCE)을 활용해 리튬 이온의 탈용매화 에너지를 저감시켰고, 첨가제의 종류에 따른 SEI(Solid-Electrolyte Interface) 층의 형성과 그 특성도 분석했다. 

연구를 진행한 결과 DMC(Dimethyl carbonate)를 포함한 LPCE는 음극에서의 전하 이동 장벽(Charge transfer barrier)을 현저히 감소시킴으로써 리튬 이온의 탈용매화 반응 속도를 증가시킨다는 점이 확인됐다. 

연구팀은 여기에 FEC(Fluroethylene Carbonate) 첨가제를 도입해 리튬 이온의 화학적 반응성을 높였다. 그 결과 더욱 얇고 안정적인 SEI층을 형성해 NMC622 양극을 사용한 초고속 충전(XFC) 사이클의 안전성을 향상시키는 성과를 거뒀다. 

연구팀이 개발한 기술을 적용한 결과 10분 충전을 기준으로 500회 이상의 충전 사이클 후에도 용량 보존율은 94.3%나 되는 것으로 나타났다. 급속충전 과정에서의 리튬이온 배터리 안정성이 대폭 향상된 것이다. 

이번 연구성과는 지난해 피인용도(IF, Impact Factor) 20.4를 달성한 국제 저명 학술지 ‘Energy Storage Materials’에 게재됐다. 문장혁 교수 연구실의 장홍준 에너지시스템공학과 석박사통합 과정생이 공동 제1저자로 주요 연구를 수행했고, 이홍경 DGIST(대구경북과학기술원) 교수와 채수종 부경대 교수도 공동 교신저자에 이름을 올렸다. 

문 교수는 “이번 연구를 통해 제안한 리튬 메탈 증착 문제를 해결할 수 있는 새로운 전해질 구성은 배터리 기술 발전에 많은 기여를 하게 될 것”이라고 했다.