흑연 음극 충전 '20시간' 보다 빠르게..리튬이온전지 안전하게 쓴다

충남대 연구팀, 고안전성 계면제어 기술 개발
흑연음극 4배 이상 빠르게 충전 성공

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구팀이 배터리의 화재위험은 줄이고 충전속도를 높였다.

한국연구재단은 송승완 충남대학교 응용화학공학과 교수 연구팀이 리튬이온 이차전지의 충전속도를 4배 이상 향상시킬 수 있는 고안전성 계면제어 기술을 개발했다고 10일 밝혔다.

신규 불연 전해액을 적용한 리튬이온 이차전지용 흑연 음극의 SEI(계면) 안정화 효과.<자료=한국연구재단>

전기자동차와 에너지저장시스템(ESS) 시장이 확대되는 가운데 리튬이온전지의 에너지밀도와 충전속도를 높여 주행거리와 저장용량을 향상시키려는 노력이 활발하다.

특히 리튬이온전지의 수명과 안전성을 좌우하는 전극 표면보호층의 안정성을 높이려는 연구가 이뤄지고 있다. 전해액 소재를 조절해 전극 표면보호층을 안정화시키거나 불연성이나 난연성 전해액을 개발해 화재위험을 줄일 수 있기 때문이다.

하지만 리튬이온전지에 통상 사용되는 흑연음극은 기존 전해액에서 표면보호층이 균일하지 않거나 두껍게 형성될 수 있다. 표면보호층 자체가 저항으로 작용해 충전속도와 용량을 낮추는 한계가 있었다. 결국 흑연음극의 이론용량에 도달하려면 20시간 이상 충전해야 했다.

연구팀은 새로운 유기계 불연성 전해액을 이용해 얇고 안정적인 낮은 계면저항을 갖는 표면보호층을 흑연음극 표면에 구축하고, 기존보다 4배 이상 빠르게 흑연음극을 충전했다.

그 결과, 빠른 충방전 속도로 흑연음극의 이론용량급 성능을 획득하고, 안정된 충방전 사이클 성능을 나타냈다.

기존에도 난연성 전해액 첨가제가 사용되나 흑연 음극과의 계면호환성이 낮은 경향 때문에 안전성은 향상되나 성능은 약화되는 문제가 있었다. 연구팀은 흑연 음극과의 계면호환성이 좋은 불연성 전해액을 개발해 얇고, 안정하고, 낮은 계면저항을 가지는 표면보호층을 흑연 음극 표면에 구축하여 리튬이온 이차전의 안전성과 성능을 모두 높였다.

송승완 교수는 “흑연 음극의 용량과 리튬이온 이차전지의 에너지밀도 증가뿐 아니라 이차전지 충전속도와 안전성을 동시에 높인 사례”라며 “기존 리튬이온 이차전지에도 바로 적용 가능하며 이를 통해 전기 자동차의 충전속도를 높일 수 있다”고 기대했다.

연구 결과는 에너지화학분야 국제학술지 ‘캠서스캠(ChemSusChem)’ 온라인에 지난달 2일자로 게재됐다.

강민구 (science1@edaily.co.kr)