전기차 15분만에 충전 완료!

작성일 2025-03-24

신소재공학과 박민식 교수 연구팀이 전기차 보급의 핵심인 리튬이온전지용 고성능 천연흑연 음극소재를 개발했다.

신소재공학과 박민식 교수 연구팀, 리튬이온전지용 고성능 천연흑연 음극소재 개발
높은 충전 속도와 긴 수명 가져 다양한 응용 분야에서 활용될 것

전기차 시장이 빠르게 성장하고 있지만, 내연기관 차량과의 경쟁에서 뒤처지는 주행거리와 충전 시간은 지속적인 한계로 손꼽힌다. 전기차 보급 확대를 위해서는 기존 기술의 한계를 넘는 급속충전 기술 개발이 핵심으로 떠오르고 있다.

기능성 코팅층 도입해 천연흑연의 계면 특성 최적화
신소재공학과 박민식 교수 연구팀이 호주 울런공대학교 김정호 교수, 한양대 신소재공학부 이종원 교수와 공동연구를 진행해 전기차 보급의 핵심인 리튬이온전지용 고성능 천연흑연 음극소재를 개발했다. 연구팀이 개발한 소재는 리튬이온전지의 에너지밀도 손실 없이 급속충전 성능을 획기적으로 개선했다. 고성능 천연흑연 음극소재는 급속충전 성능을 높이면서도 리튬이온전지의 안정성과 수명을 늘렸다. 연구는 우수성을 인정받아 재료 분야의 세계적인 학술지 『Advanced Materials(IF=27.4)』 2월호에 게재됐다.

전기차용 리튬이온전지에 사용되는 흑연 음극소재는 높은 계면 저항으로 급속충전 시 리튬금속이 전착해 리튬이온전지의 성능 저하와 안정성 문제가 발생한다. 연구팀은 문제를 해결하기 위해 표면 제어 기술을 활용해 저가 천연흑연의 계면 특성을 최적화했다. 신규 기능성 코팅층을 도입해 천연흑연 음극소재의 계면 저항을 감소시키고 리튬이온전지에 급속충전을 가능하게 만들었다.

그림 설명. 급속충전 시 MoS2 기능성 코팅층 도입 복합음극소재의 계면저항 및 미세구조 분석 결과

흑연 음극소재의 표면에서 발생하는 계면반응을 정밀히 분석하고, 최적화하는 것이 급속충전 성능 향상의 핵심이다. 연구팀은 라만 분광법, X-선 광전자 분광법, 비행시간형 이차이온질량분석기술 등의 분석기법을 활용해 전기화학 전환반응의 메커니즘을 명확히 규명했다. 박민식 교수는 “반응 전위별 미세구조를 분석해 기능성 코팅층의 전기화학 전환반응 메커니즘을 심층적으로 규명했다”고 설명했다.

연구팀은 리튬이온전지의 성능 검증도 진행했다. 리튬이온전지는 약 300회의 충, 방전 사이클이 지나도 88.8%의 용량 유지율을 달성했고, 리튬금속 전착 없이 안정적으로 구동했다. 또한 저가 천연흑연 음극소재를 사용해도 14.7분 만에 80%까지 급속 충전됐다. 박민식 교수는 “이번 연구 결과는 전기차를 넘어 에너지저장장치, 고출력 전자기기 등 높은 충전 속도와 긴 수명이 요구되는 분야에서 핵심적 기술로 자리 잡을 것”이라고 강조했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다.