광주과학기술원(GIST)은 김형진 에너지융합대학 교수팀과 정성호 기계공학부 교수팀이 공동으로 리튬니켈망간코발트산화물(NMC)·리튬인산철(LFP)·흑연 등 다양한 리튬이차전지 전극을 펨토초(1000초분의 1초) 레이저로 가공해 전지 용량과 출력을 동시에 향상시키는 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.
리튬이차전지에서 전극의 두께와 공극률에 따른 구조적 특성은 전지 성능에 큰 영향을 미친다. 더 많은 활물질을 쌓아 올리는 전극의 후막화나 강한 압축 공정에 의한 고밀도화는 에너지밀도를 향상시킬 수 있다. 반면 이온 전도성에 불리한 구조적인 한계 때문에 급격히 출력밀도가 감소한다. 즉 전지에서 용량과 출력은 트레이드 오프 관계로 성능에 가장 큰 영향을 주는 전극의 두께와 공극률은 제한적인 범위에서 최적화돼 적용되고 있다.
연구팀은 레이저 미세가공 공정으로 기존 전극 사양 한계를 뛰어넘는 설계가 가능하고 에너지와 파워밀도를 동시에 개선해 리튬이차전지 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 레이저 가공기술 대량생산 적용을 위해 다양한 깊이·간격 등 가공조건과 전지성능변화의 상관관계를 분석함으로써 리튬이차전지 사용처에 따른 작동 환경과 성능을 고려한 레이저 가공 설계 조건을 제시했다. 레이저유도붕괴분광법(LIBS)을 활용해 전극 내부 리튬이온 분포를 시각화함으로써 레이저 가공효과를 직관적으로 분석했다.
연구팀은 앞선 상용전극 수준보다 두껍고(두께 100~700㎛) 밀도가 높은(공극률 26%) 전극 레이저 가공을 통해 기존 전극구조를 3차원화해 전극표면에서 집전체까지 리튬이온 확산 경로를 넓혀주고 단축시켰다. 이로써 에너지밀도와 파워밀도를 동시에 크게 향상시켜 레이저 가공효과를 입증한 바 있다.
김형진 교수는 “리튬이차전지 전극 레이저 가공에서 주요 설계 조건 확립과 충방전시 전극 내 리튬이온 분포를 레이저 분석기술을 이용해 시각화한 것이 이번 연구의 핵심”이라고 말했다.
김형진·정성호 교수가 주도하고 박준수 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구는 지스트 연구원(GRI), 한국산업기술진흥원(KIAT)의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구결과는 응용 화학 분야의 세계적인 학술지인 '저널 오브 에너지 케미스트리'에 최근 온라인으로 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
