▲ 원통형 리튬이온배터리의 X-ray CT 이미지 및 전극 반응 인터페이스 비교(출처: UNIST)

원통형 배터리 초격차 기술 확보가 시급해진 가운데, 국내 연구팀이 배터리의 곡률을 고려한 전극 설계만으로도 리튬 금속 석출과 같은 문제를 완화할 수 있다는 결과를 발표했다.

UNIST는 에너지화학공학과 정경민 교수팀은 원통형 배터리 전극의 곡률이 전기화학적 성능에 미치는 영향을 규명하고, 이를 고려한 최적화된 전극 설계를 제시했다.

원통형 배터리는 음극과 양극 사이에 분리막을 끼워 차곡차곡 쌓은 다음 돌돌 말아낸 형태의 배터리이다. 음극, 분리막, 양극, 분리막을 1세트로 치면 보통 전기차의 원통형 배터리 셀(cell) 1개 안에는 20~ 60세트가 말려져 있다.

연구팀은 원통형 배터리의 이 같은 곡률 특성 때문에 음극과 양극 간의 접촉 면적이 달라지면서 음극과 양극의 용량비가 이상적인 설계 값에서 벗어날 수 있다고 보고 이번 연구를 시작했다. 일반적으로 배터리를 설계할 때는 리튬 금속 석출 예방과 고속 충전을 위해 음극 용량을 양극 용량보다 더 크게 설계한다.

실제 다양한 곡률 조건을 모사한 실험용 곡률형 단판 셀을 제작하고, 상용 21700 원통형 배터리와 비교 분석한 결과, 전극의 용량비가 전극의 위치에 따라 달라지는 것이 확인됐다.

특히 곡률이 큰 중심부 영역에서는 저온 또는 고전압 충전 시 리튬 금속 석출 위험이 뚜렷하게 증가했다. 리튬 금속 석출은 단락을 일으킨다. 또 대용량 하이니켈 양극재에서 이러한 곡률 민감도가 더 컸다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 전극의 양면 두께를 각각 조정하는 설계 전략을 제시했다. 음극과 양극 간의 접촉 면적 비율 변화 때문에 발생하는 용량비 변화를 전극의 두께 조정을 통해 보정하는 원리다.

제1저자인 전병진 연구원은 “원통형 배터리 설계에서 전극 곡률이 중요한 설계 변수임을 밝혔다”며 “배터리 성능과 안정성을 위해 소재 특성을 반영하는 것뿐만 아니라, 전극 곡률까지 함께 고려하는 고도화된 연구 접근 방식이 필요하다는 점에서 의의가 크다”라고 설명했다.

정경민 교수는 “배터리 폼팩터(Form Factor)와 설계·공정 기술을 연계하는 접근 방식의 중요성을 확인한 연구”라며 “첨예한 글로벌 경쟁상황에서 우위를 확보하기 위해서는 소재 자체의 용량을 개선하려는 연구만으로는 힘들다”고 강조했다.