경희대학교(총장 김진상) 기계공학과 김두호 교수와 식물‧환경신소재공학과 이정태 교수 공동연구팀이 이차전지의 고속 충전 능력을 획기적으로 높이는 새로운 접근 방안을 제시했다. 이번 연구는 기존 이차전지의 한계를 극복하고, 고속 충전이 필수적인 전기차(EV)와 휴대용 전자기기 등 고성능 전자제품을 위한 차세대 배터리 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
현재 사용되는 이차전지는 전극의 반응역학이 느려 고속 충전 시 충분한 에너지를 저장하는 데 어려움이 있었다. 문제를 해결하기 위해 연구팀은 양극재의 반응역학을 가속할 수 있는 혁신적인 방법을 개발했다. 김두호‧이정태 교수 공동연구팀은 이미 지난해 성능이 향상된 리튬-황 배터리 설계로 뛰어난 연구 성과를 기록한 바 있다. 이번 연구는 앞선 성과를 기반으로 리튬-황 배터리 상용화를 위한 후속 연구로 진행됐다.
연구팀은 압축 상태가 황화리튬(Li2S) 전극의 전기화학적 성능에 미치는 영향을 집중적으로 분석했다. 그 결과 황화리튬의 양극을 다공성 탄소의 좁은 기공에 물리적으로 가두었을 때, 형성된 압축적 환경이 황화리튬의 격자구조에 왜곡을 일으킨다는 사실을 발견했다. 격자구조의 왜곡은 상전이 장벽을 낮추고 이온 이동 속도를 증가시켜, 이온 확산 역학과 상전이 역학이 가속화되는 효과를 가져왔다.
가속화된 반응역학은 성능적 개선으로 이어졌다. 황화리튬 양극이 리튬을 내뱉는 충전 과정에서 필요한 전압이 기존 2.1V에서 1.9V로 감소했다. 이는 충전 시간 단축과 에너지 효율성을 높여 기존보다 두 배 이상의 용량을 확보할 수 있게 했다. 연구팀은 임피던스 분광법(EIS), 전기화학적 이완 실험, 충·방전 실험 등을 통해 성능 개선을 입증했다.
결과적으로 연구팀은 기계적 압축을 통해 전기화학적 강성을 낮추는 방식으로 이차전지 전극 재료를 설계하면 고속 충전이 가능하다는 새로운 설계 패러다임을 제시했다. 연구팀의 성과는 전기화학적 강성 개념을 도입하여 기존 전극 설계 방식을 넘어선 혁신적인 접근법을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 또한, 성능 향상과 기계적 안정성을 동시에 충족하는 이차전지의 상용화 가능성을 보여주는 성과이기도 하다.
연구를 진행한 김두호 교수는 “경희대 구성원 간의 지속적인 학문적 교류를 통해 이룬 뜻깊은 결과이며, 작년 성과의 후속 연구로서 그 의미가 더욱 깊다”라고 평했다. 연구팀의 성과는 여기서 끝이 아니다. 앞으로도 고성능 전극 소재 설계를 이어 나갈 계획이다. 이정태 교수는 “축적된 연구를 바탕으로 고성능 차세대 이차전지 실현을 위한 지속적인 혁신을 추구할 것”이라고 강조했다.
연구팀의 성과는 세계적인 학술지(IFactor: 18.5)에 게재되어, 국제적으로도 높은 평가를 받았다.
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