성균관대학교 에너지과학과 김종순 교수 연구팀이 차세대 배터리로 주목받는 리튬인산망간철(LMFP) 배터리의 고속 충전 성능 저하 문제를 개선할 양극 계면 설계 전략을 제시했다.

13일 성균관대에 따르면 연구팀은 배터리를 빠르게 충전할 때 성능이 떨어지는 원인을 규명하고, 충전 속도를 가로막는 병목 요인을 줄일 수 있는 방법을 개발했다.

배터리를 충전하려면 내부의 리튬 이온이 양극으로 이동해 저장돼야 한다. 그러나 기존 LMFP 배터리는 충전 과정에서 양극 표면에 LiF(리튬플루오라이드) 등 저항층이 형성되면서 리튬 이온 이동이 방해돼 고속 충전 성능이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 빠른 충전 과정에서도 양극 표면에 저항층이 과도하게 쌓이지 않도록 계면 구조를 설계했다. 그 결과 리튬 이온 이동 저항을 기존 대비 약 43% 줄이는 데 성공했다.

이를 통해 약 12분 만에 충전하는 조건에서도 기존보다 1.58배 많은 에너지를 저장할 수 있는 것으로 나타났다. 연구팀은 이 결과가 고속 충전 과정에서 발생하던 성능 저하 병목을 완화했음을 보여준다고 설명했다.

이번 연구는 실험실용 얇은 전극이 아니라 실제 전기차 배터리에 가까운 두꺼운 전극 환경에서 효과를 확인했다는 점에서 의미가 크다. 전극이 두꺼워질수록 이온 이동 거리가 길어져 성능 확보가 어려워지는데, 연구팀은 이러한 조건에서도 충전 성능이 크게 향상됨을 확인했다.

김종순 성균관대 교수는 “배터리 충전 과정에서 표면에 형성되는 방해 물질을 규명하고 이를 줄일 수 있는 방법을 제시한 연구”라며 “전기차 충전 시간을 줄이고 안전성과 수명을 높이는 배터리 개발에 중요한 기준이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 LG에너지솔루션과 산업기술기획평가원 소재부품기술개발사업 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 1월 24일자에 게재됐다.