경북대, KAIST와 신규 전극 설계 기술 개발

[대구=뉴시스] 박준 기자 = 경북대학교와 KAIST가 리튬이온전지의 충·방전 성능과 수명을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 전극 설계 기술을 개발했다.

경북대 스마트모빌리티공학과 오지민 교수팀은 KAIST 신소재공학과 홍승범 교수팀과 니켈·코발트·망간(NCM) 양극의 성능 저하 원인을 분석하고 레이저 표면 구조화와 전극 압착 공정을 결합한 새로운 전극 제조 전략을 제시했다고 17일 밝혔다.

배터리의 양극재로 널리 쓰이는 NCM 양극은 에너지밀도가 높아 전기차 주행거리를 늘리는데 유리하다.

하지만 배터리 용량을 높이기 위해 전극을 강하게 압착하면 배터리 내부 공간이 좁아져 리튬 이온의 이동이 제한되고 내부 저항이 증가해 출력과 수명이 저하될 수 있다.

공동연구팀은 기존 압착 공정에 정밀 레이저 표면 구조화 기술을 적용해 이 문제를 해결했다.

레이저를 이용해 전극 표면에 주기적인 미세 구조를 형성함으로써 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있는 경로를 효과적으로 제어하고 전해질 침투성을 개선했다.

연구 결과 최적화된 레이저 구조를 적용한 전극은 기존 압착 전극 대비 계면 저항 증가를 약 56% 억제했으며 빠른 충·방전 조건에서도 우수한 용량 유지 특성을 나타냈다.

또 충·방전 과정에서 형성되는 계면층(CEI)이 보다 안정적으로 유지되면서 니켈 용출도 약 30% 감소하는 것으로 확인됐다.

연구팀은 전기화학 변형 현미경(Electrochemical Strain Microscopy, ESM)을 활용해 리튬 이온의 이동 거동을 나노미터 수준에서 분석했다.

그 결과 레이저 구조화 전극은 기존 전극 대비 리튬 이온 이동 특성이 2.3배 이상 향상되고, 전극 내부 이온 이동의 불균일성이 약 50% 감소하는 것도 확인했다.

이번 연구는 한국연구재단(NRF)과 한국산업기술기획평가원(KEIT)의 지원을 받아 수행됐다.


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