우리 연구진이 급속 충전시 전기차 배터리 수명이 떨어지는 이유를 찾아냈다. 전극 속 재료, 빈 공간 배치가 충전 속도 및 배터리 열화에 미치는 영향을 밝혀냈다. 이를 바탕으로 고속 충전시 배터리를 더욱 오래 쓸 수 있게 하는 새로운 전극 설계 전략도 제시했다.
이 성과는 전기차 및 에너지저장장치(ESS) 신뢰성을 높이고, 탄소중립형 에너지 전환에도 기여할 전망이다.
한국과학기술원(KAIST·총장 배충식)은 이강택 기계공학과 교수, 조은애 신소재공학과 교수팀이 리튬이온배터리 흑연 음극 내부 구조를 3차원 디지털 트윈으로 구현하고, 급속충전 시 배터리 성능이 떨어지는 원인을 정량 규명했다고 24일 밝혔다.
배터리 전극은 리튬을 저장하는 흑연, 이를 붙여주는 바인더, 리튬이온이 이동하는 빈 공간으로 이뤄진다. 충전시 리튬이온이 음극의 흑연 입자로 이동·저장되는데, 충전이 빠르면 일부 리튬이 흑연 표면에 쌓이는 '리튬 도금' 현상이 발생하고 배터리 성능·수명이 떨어진다.
충전 중 흑연 표면에 '고체전해질 계면층(SEI)'도 만들어지는데, 이것이 너무 두껍거나 고르지 않으면 배터리 성능이 떨어질 수 있다.
이런 현상들은 배터리 내에서 동시에 일어나 실험만으로 직접 확인하기 어렵다. 이에 연구팀은 배터리 전극 '가상 쌍둥이'를 만들고, 전극 두께와 빈 공간의 양, 바인더 위치를 바꿔가며 급속 충전 상황을 분석했다.
그 결과, 전체 충전용량이 비슷해도 전극 내부 바인더와 빈 공간이 어떻게 배치돼 있느냐에 따라 배터리 손상 정도가 달라질 수 있음을 확인했다.
특히 바인더가 전극 한쪽에 몰리면 리튬이온이 지나갈 수 있는 빈 공간이 줄어 쌓이는 리튬도 금 양이 10% 이상 증가했다. 이런 차이는 전극이 두꺼워질수록 커졌다.
빈 공간 위치는 전극이 받는 힘에도 영향을 미쳤다. 빈 공간이 부족하면 흑연 입자가 팽창할 여유가 없어 특정 부분에 힘이 집중됐다.
연구팀은 이번 연구로 전극 바인더와 빈 공간이 '얼마나 있는지' 뿐 아니라 '어디에 어떻게 분포하는지'까지 고려해야 한다는 새로운 설계 방향을 제시했다.
이강택 교수는 “이번 연구는 겉으로 보이는 충전 성능만으로는 알기 어려웠던 배터리 내부의 문제를 3차원 디지털 트윈으로 찾아냈다는 데 의미가 있다”고 말했다.
강예진 KAIST 기계공학과 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 '인포맷'에 게재됐으며, 지난 7월 7일 후면 표지 논문으로 선정됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
