이상민 박사팀, 흑연 표면에 금속인화물
촉매 코팅해 급속충전 단점 해결
전기차 및 ESS 분야 활용 '기대'
한국전기연구원 이상민 박사팀이 개발한 음극촉매 소재를 이용한 급속충전 실험 비교 사진. KERI 제공
한국전기연구원(KERI) 차세대전지연구센터 이상민 센터장과 경희대 박민식 교수, 대구경북과학기술원(DGIST) 이종원 교수가 주축이 된 연구팀이 급속충전에도 배터리의 성능과 안전성을 보장하는 획기적인 '음극용 촉매 소재 및 코팅 기술'을 개발했다.
리튬이온 배터리는 리튬이온이 양극(+)과 음극(-)을 오가면서 전기 에너지를 저장 및 방전하는 원리다.
충전 시간을 줄이기 위해서는 리튬이온이 빠르게 이동해야 하는데, 흑연은 이 과정에서 결정 구조의 변화가 작다는 장점으로 전극 내에서 지속적이면서도 반복적인 산화-환원 반응을 가능하게 한다.
하지만 급속충전 시에는 흑연 음극 표면에 리튬 금속이 석출(deposition·고체 표면 주위에 어떤 물질이 부착·응집하는 것)돼 배터리의 성능과 안정성을 낮추는 문제점이 있었다.
KERI가 개발한 금속인화물 촉매 코팅기술은 이 같은 흑연 음극의 단점을 해결했다.
연구팀은 개발한 촉매 소재가 다양한 연구 과정에서 석유화학 공정의 탈질·탈황 반응에 유용하게 쓰이는 것을 파악하고, 배터리 급속충전 시 전하 전달 반응에도 유사한 메커니즘이 작동될 것으로 기대하며 지속적인 응용연구를 수행했다.
그 결과 촉매 소재가 배터리 전해액 내 리튬이온의 탈용매화 반응을 돕고, 전하 전달 반응을 촉진시켜 급속충전 시에도 배터리의 수명이나 안전성에 전혀 영향을 미치지 않는다는 점을 발견했다.
이번 성과를 통해 전기차 대중화에 가장 큰 걸림돌 중 하나였던 급속충전 시 발생하는 각종 문제점을 개선할 수 있는 계기를 마련했다.
특히 해당 기술이 국내 이차전지 관련 업체들에게 이전될 경우, 그동안 일본과 중국 등으로부터 전량 수입에 의존했던 고품질의 '인조흑연 음극재'를 대체할 수 있게 된다.
이상민 KERI 차세대전지연구센터장은 "급속충전 단점을 해결하기 위해 다양한 시도가 있었지만 지금까지 고에너지 밀도 유지와 급속충전 성능 개선을 동시에 확보할 수 있는 소재 기술은 전무한 상황이었다"며 "KERI가 개발한 촉매 소재 및 코팅 기술은 배터리 내 리튬 석출의 가능성을 현저히 감소시켜 발열 위험을 낮춰주기 때문에 급속충전 시에도 성능과 안전성을 모두 보장해줄 수 있다"고 말했다.
이 기술은 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다. 연구팀은 개발 기술과 관련한 국내외 특허 출원을 완료했으며, 해당 기술이 전기차 및 전력저장장치(ESS) 산업계의 많은 관심을 받을 것이라 보고 관련 수요업체를 발굴하여 기술이전을 추진할 계획이다.
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