광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 엄광섭 신소재공학과 교수(차세대에너지연구소장)팀이 리튬금속전지의 전기자동차(EV) 충전 속도와 안정성을 향상시키는 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.
현재 EV 등에 널리 쓰이는 리튬이온전지는 크기와 무게에 비해 많은 에너지를 저장할 수 있는 장점이 있다. 하지만 충·방전 과정에서 리튬이 음극 표면에 고르게 쌓이지 않고 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라는 '리튬 수지상 결정(덴드라이트)'이 발생할 수 있다는 문제가 있다.
이러한 수지상 결정은 배터리 내부의 분리막을 뚫어 양극과 음극이 직접 닿아 전기가 한꺼번에 흐르는 단락 현상을 유발할 수 있다. 동시에 부피 팽창을 일으켜 배터리의 수명과 안전성을 크게 저하시킨다.
연구팀은 리튬이 쌓이는 위치와 방식이 배터리 성능을 좌우한다는 점에 주목해 리튬이 구조체 내부에서부터 균일하게 쌓이도록 유도하는 3D 구조체를 설계했다. 가볍고 내구성이 뛰어난 고분자 소재인 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF)로 내부에 빈 공간이 많은 구조를 만들고 여기에 전기가 일부만 통하는 고분자 폴리피롤을 코팅했다.
이러한 구조는 전류 흐름을 조절해 리튬이 아래쪽부터 바텀업 방식으로 차곡차곡 쌓이도록 유도해 덴드라이트 형성과 부피 팽창을 동시에 억제한다. 그 결과 기존 리튬이온전지보다 에너지 저장 밀도를 2배 이상 높이고, 부피 팽창 문제도 크게 개선했다.
충전 속도를 크게 단축해 약 12분(5C) 만에 완전 충전이 가능한 초고속 충전 성능을 구현했다. 기존 구조에서는 어려웠던 고속 충전 조건에서도 안정적인 성능을 확보했다. 200회 이상 반복 사용 후에도 초기 용량의 94.7%를 유지했다. 충·방전 과정에서 발생하는 부피 팽창도 관찰되지 않아 고속 충전 환경에서도 안정성을 입증했다.
향후 EV 배터리, 에너지저장장치(ESS), 항공 모빌리티용 배터리 등 다양한 분야에 적용해 상용화 가능성을 높였다는 점에서 의의가 있다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
