한국전기연구원, 배터리 급속충전 안정성↑

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입력 2021.02.03 13:15
한국전기연구원(KREI) 이상민 차세대전지연구센터장·박민식 경희대 교수·이종원 DGIST 교수 등 연구팀이 급속충전에도 배터리 성능과 안전성을 보장하는 소재 및 기술 개발에 성공했다.

(왼쪽부터)이상민 차세대전지연구센터장·박민식 경희대 교수·이종원 DGIST 교수 / 한국전기연구원
한국전기연구원은 흑연 음극의 단점을 해결하는 ‘음극용 촉매 소재 및 코팅 기술’ 개발에 성공했다고 3일 밝혔다.

기존 리튬이온 배터리에 사용된 흑연 음극은 급속충전 시 흑연 음극 표면에 리튬 금속이 석출돼 배터리의 성능과 안정성을 낮추는 문제점이 있었다. 석출은 고체 표면 주위에 어떤 물질이 부착·응집하는 되는 현상이다.

한국전기연구원은 기존 흑연 음극 단점을 해결하는 ‘금속인화물 촉매 코팅 기술’을 만들어냈다. 흑연입자표면에 금속인화물 촉매를 코팅해 급속충전 단점을 해결하는 방식이다.

연구팀은 연구 과정에서 금속인화물 촉매가 석유화학 공정의 탈질·탈황 반응에 유용하게 쓰이는 것을 알아냈다. 유사한 메커니즘이 배터리 급속충전 시 전하 전달 반응에도 작동될 것으로 보고 응용연구를 수행했다. 그 결과 촉매 소재가 배터리 전해액 내 리튬이온의 탈용매화·전하 전달 반응을 촉진해, 급속충전 시 배터리 수명이나 안전성에 영향을 미치지 않는다는 것을 발견했다.

금속인화물 촉매 소재 적용 여부에 따른 흑연 소재 차이점 비교 / 한국전기연구원
한국전기연구원에 따르면 이번 성과로 전기차 대중화에 가장 큰 걸림돌 중 하나였던 급속충전 시 발생하는 각종 문제점을 개선할 수 있게 됐다. 해당 기술이 국내 이차전지 관련 업체들에게 이전되면, 일본과 중국 등으로부터 전량 수입하던 ‘고품질 인조흑연 음극재’를 대체할 수 있을 것으로 본다.

이상민 한국전기연구원 차세대전지연구센터장은 "급속충전 단점을 해결하기 위해 다양한 시도가 있었지만, 고에너지 밀도 유지와 급속충전 성능 개선을 동시에 확보할 수 있는 소재 기술은 전무한 상황이었다"며 "이번에 개발한 촉매 소재 및 코팅 기술은 배터리 내 리튬 석출의 가능성을 현저히 감소시켜 발열 위험을 낮춰주기에 급속충전 시 성능과 안전성을 모두 보장해줄 수 있다"고 말했다.

한편, 한국전기연구원 성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다. 연구팀은 개발 기술과 관련한 국내외 특허 출원을 마쳤다. 해당 기술이 전기차 및 전력저장장치(ESS) 산업계 많은 관심을 받을 것이라 보고, 관련 수요업체를 발굴해 기술이전을 추진할 계획이다.

이민우 기자 minoo@chosunbiz.com


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