흑연 음극에 촉매 소재 적용 여부에 따른 비교. 한국전기연구원 제공
한국전기연구원(KERI) 차세대전지연구센터 이상민 센터장과 경희대 박민식 교수, 대구경북과학기술원(DGIST) 이종원 교수가 주축이 된 연구팀이 급속충전에도 배터리의 성능과 안전성을 보장하는 획기적인 음극용 촉매 소재와 코팅 기술을 개발했다.
흔히 사용되는 리튬이온 배터리는 리튬이온이 양극(+)과 음극(-)을 오고 가면서 전기 에너지를 저장 또는 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.
연구팀의 성과는 이러한 흑연 음극의 단점을 해결해주는 '금속인화물 촉매 코팅 기술'을 개발한 것이다. 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.
KERI 이상민 센터장, 경희대 박민식 교수, DGIST 이종원 교수. 한국전기연구원 제공
이번 성과를 통해 전기차 대중화에 가장 큰 걸림돌 중 하나였던 급속충전 시 발생하는 각종 문제점을 개선할 수 있는 계기를 마련하게 됐다. 특히 해당 기술이 국내 이차전지 관련 업체들에게 이전되면 그동안 일본과 중국 등으로부터 전량 수입에 의존했던 고품질의 '인조흑연 음극재'를 대체할 수 있게 된다.
KERI 이상민 차세대전지연구센터장은 "급속충전 단점을 해결하기 위해 충전 방식을 변경한다든지, 안정성 향상을 위해 배터리 전극 밀도를 낮추려는 등 다양한 시도가 있었지만, 현재까지 고에너지 밀도 유지와 급속충전 성능 개선을 동시에 확보할 수 있는 소재 기술은 전무한 상황이었다"고 밝히며 "KERI가 개발한 촉매 소재와 코팅 기술은 배터리 내 리튬 석출의 가능성을 현저히 감소시켜 발열 위험을 낮춰주기 때문에, 급속충전 시에도 성능과 안전성을 모두 보장해줄 수 있다"고 전했다.
KERI 성과는 높은 기술 수준을 인정받아 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다. 연구팀은 개발 기술과 관련한 국내외 특허 출원을 완료했다. 해당 기술이 전기차나 전력저장장치(ESS) 산업계의 많은 관심을 받을 것이라 보고, 관련 수요업체를 발굴해 기술이전을 추진한다는 계획이다.