왼쪽부터 경북대 오지민 교수, KAIST 홍승범 교수. 경북대학교 제공 경북대·KAIST 연구팀이 전기차 배터리의 수명과 출력 성능을 동시에 향상할 수 있는 새로운 전극 설계 기술을 개발했다.
17일 경북대학교에 따르면 경북대 스마트모빌리티공학과 오지민 교수 연구팀이 KAIST 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 레이저 표면 구조화와 전극 압착 공정을 결합한 새로운 전극 제조 전략을 제시했다.
연구팀은 니켈·코발트·망간(NCM) 양극에서 전극 압착 과정으로 인해 리튬 이온 이동이 제한되고 내부 저항이 증가해 출력과 수명이 저하되는 문제에 착안해 기존 압착 공정에 정밀 레이저 표면 구조화 기술을 적용했다.
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% 억제했고 빠른 충·방전 조건에서도 우수한 용량 유지 특성을 나타냈다.
또한 충·방전 과정에서 형성되는 계면층(CEI)이 보다 안정적으로 유지되면서 니켈 용출도 약 30% 감소하는 것으로 확인됐다.
특히 연구팀은 전기화학 변형 현미경을 활용해 리튬 이온 이동 거동을 나노미터 수준에서 분석한 결과 레이저 구조화 전극은 기존 대비 리튬 이온 이동 특성이 2.3배 이상 향상되고 전극 내부 이온 이동의 불균일성이 약 50% 감소하는 것을 확인했다.
또한 표면 화학종 분석(XPS)을 통해 리튬 이온 전도성이 우수한 불화리튬(LiF) 기반 보호층이 안정적으로 형성되는 것을 확인했다. 엑스선 회절 분석(XRD)에서는 반복적인 충·방전 이후에도 결정 구조 변화가 효과적으로 억제되는 것으로 나타났다.
연구팀은 이러한 결과가 전극 내 리튬 이온 이동, 계면 반응, 결정 구조 안정성을 동시에 제어하는 새로운 전극 설계 전략이라고 설명했다.
오지민 교수는 "이번 연구는 전극 제조 공정을 단순한 생산 단계가 아닌 전지 성능을 결정하는 핵심 설계 변수로 활용할 수 있음을 보여준 사례"라며 "레이저 표면 구조화를 통해 고에너지밀도 전지의 수명과 출력 특성을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 방향을 제시했다"고 말했다.
이어 "전기차, 드론, 로봇, 에너지저장장치(ESS) 등 차세대 모빌리티 및 에너지 산업 전반에서 고성능 리튬전지 개발을 위한 핵심 제조 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 덧붙였다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널' 온라인에 지난 3일 게재됐다.