"급속충전에도 장기간 사용…배터리 전극 설계 전략 제시"

국내 연구팀이 전기차 배터리의 성능 저하 원인을 정량적으로 규명, 급속충전에도 장기간 사용할 수 있는 배터리 전극 설계 전략을 제시했다.

KAIST는 기계공학과 이강택 교수팀이 신소재공학과 조은애 교수팀과 상용 리튬이온배터리 흑연 음극의 내부 구조를 3차원 디지털 트윈으로 구현해 급속충전 때 나타나는 배터리 성능 저하 원인을 정량적으로 규명했다고 24일 밝혔다.

AI 생성 이미지. KAIST

배터리 전극은 리튬을 저장하는 흑연과 이를 고정하는 바인더, 리튬이온이 이동하는 빈 공간으로 구성된다.

배터리 충전 과정에선 리튬이온이 음극의 흑연 입자 안으로 이동·저장되는 데 충전 속도가 빠르면, 일부 리튬이 흑연 안으로 들어가지 못해 표면에 금속 리튬이 쌓이는 '리튬 도금(Li plating)' 현상이 발생한다.

주차장에 차량이 일시에 몰릴 때 입구에서부터 정체현상이 나타나는 것과 비슷하다. 이러한 현상이 계속되면 배터리 성능과 수명이 떨어질 수 있다.

배터리를 충전하는 과정에서는 '고체전해질 계면층(SEI)'도 만들어진다. SEI는 흑연 표면에 생긴 얇은 막으로, 적절하게 형성됐을 땐 배터리를 보호하는 역할을 하지만 너무 두껍거나 고르지 않을 때는 배터리 성능이 저하된다. 충전할 때는 흑연 입자가 팽창하면서 전극 내부에 힘이 가해지는 '기계적 응력'도 생긴다.

하지만 이 같은 현상은 배터리 내부에서 동시에 일어나 '어디에서 어떤 문제가 발생하는지' 직접 확인하기 어렵다.

공동연구팀은 문제를 찾아내기 위해 상용 흑연 음극 구조를 토대로 배터리 전극의 '가상 쌍둥이'를 만들었다. 흑연 입자와 입자를 서로 고정하는 접착제 역할의 바인더, 리튬이온이 이동하는 빈 공간인 기공 등을 3차원으로 구현한 것이다.

또 가상 전극에서 전극의 두께, 빈 공간의 양, 바인더 위치를 바꿔가면서 급속충전했을 때 리튬이온이 어떻게 움직이는지를 분석하고, 리튬이 어디에 쌓이는지와 보호막이 어떻게 만들어지는지 그리고 전극의 어느 부분에 힘이 집중되는지를 동시에 살폈다.

3차원 디지털 트윈 기반의 음극 열화 분석 개요도. KAIST

이 과정에서 공동연구팀은 전체 충전 용량이 비슷하더라도 전극 내부의 바인더와 빈 공간이 '어떻게 배치돼 있느냐'에 따라 배터리 손상 정도가 달라질 수 있다는 것을 확인했다.

예컨대 두께 50㎛의 전극에서 바인더 배치에 따른 전체 충전용량 차이는 4% 이내로, 충전 성능은 별반 차이를 보이지 않았다. 다만 전극 내부에서는 리튬이 저장되는 위치와 배터리 성능을 떨어뜨리는 반응이 일어나는 위치가 뚜렷하게 달랐다.

특히 바인더가 전극의 한쪽에 몰리면 리튬이온이 지나갈 수 있는 빈 공간이 줄어 이동 역시 어려워졌다. 도로가 좁아지면 교통체증이 생기는 것처럼 이 경우 전류가 모이는 부분인 집전체 주변에 쌓인 리튬 도금의 양이 바인더가 고르게 분포한 전극보다 10% 이상 증가하기도 했다.

반대로 바인더가 전극 전체에 고르게 퍼졌을 땐 리튬이온이 보다 원활하게 이동하고, 배터리를 보호하는 막도 상대적으로 고르게 형성됐다.

차이는 전극이 두꺼워질수록 두드러졌다. 두께 83㎛의 전극에서 바인더 배치에 따른 충전용량 차이는 18%까지 벌어졌다. 이는 전극을 두껍게 만들어 보다 많은 에너지를 저장하기 위해선 재료의 양은 물론 내부 배치까지 세밀하게 설계해야 하는 것을 의미한다.

빈 공간의 위치는 전극이 받는 힘에도 영향을 미쳤다. 빈 공간이 충분하면 충전할 때 팽창하는 흑연 입자를 주변 공간이 받아줘 힘이 분산됐지만, 빈 공간이 부족하면 흑연 입자가 팽창할 여유가 없어져 특정 부분에 힘이 집중되는 양상을 보였다.

이를 토대로 공동연구팀은 "급속충전용 배터리를 설계할 때 전극의 바인더와 빈 공간이 '얼마나 있는지'만 보는 것이 아니라 '어디에 어떻게 분포하는지'까지 고려해야 한다"?는 새로운 설계 방향을 제시했다.

기계공학과 이강택 교수(아랫줄 오른쪽), 신소재 공학과 조은애 교수(아랫줄 왼쪽), 기계공학과 강예진 박사과정. KAIST

이 교수는 "이번 연구는 전기차 급속충전 과정에서 나타나는 성능 저하와 리튬 도금을 줄일 전극 구조 조건을 규명했다는 데 의미가 있다"며 "겉으로 보이는 충전 성능만으로 알기 어렵던 배터리 내부 문제를 3차원 디지털 트윈으로 찾아낸 것"이라고 설명했다.

그러면서 "연구 결과는 빠른 충전 속도에도 안정적으로 작동할 수 있는 전극 설계에 활용될 수 있다"며 "향후 셀과 배터리 팩 수준의 검증을 거쳐 실제 전기차 급속충전 성능 향상에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 기계공학과 강예진 박사과정이 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 최근 국제 학술지 '인포맷(InfoMat, IF 19.6)'에 게재, 후면 표지(Back Cover) 논문으로도 선정됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr