UNIST, 리튬이온 배터리 고속 충전 원리 밝혀내

[테크월드=선연수 기자] 울산과학기술원(UNIST) 에너지·화학공학부 서동화 교수를 포함한 국제 공동연구팀이 리튬이온 배터리 내부의 이온의 흐름을 파악해 고속 충전 원리를 규명해냈다.

리튬이온 배터리는 리튬이온이 양극과 음극에 출입하면서 전기 에너지를 저장·방전한다. 충전 시간을 줄이기 위해서는 리튬이온이 바르게 이동해야 한다. 이를 위해 흑연 음극 소재를 사용해왔지만 고속 충전 시 표면에 금속이 석출되는 단점을 가지고 있다. 음극 대체재 중 하나인 ‘리튬-티타늄 산화물’은 석출 없이도 빠른 충전 속도를 보였지만, 내부의 생김새만으로는 이온이 빠르게 이동하기 어려운 구조인 점 등 구체적인 원리가 밝혀지지 않아 실질적인 적용이 어려웠다.

공동연구팀은 실시간 투과전자현미경 분석법을 활용해 리튬이온이 리튬-티타늄 산화물을 통화할 때 물질 내부 구조가 변한다는 사실을 규명해냈다. 원소들이 이루는 구조가 변함으로써 리튬이온이 빠르게 이동할 수 있는 고속도로가 만들어진 셈이라고 설명했다. 이에 양자역학 모델링을 통해 전극 내부에서 일어나는 부분적인 구조 변화가 리튬이온이 이동하는데 필요한 에너지를 낮춰주는 것도 계산해냈다.

서동화 교수는 “전극 내 리튬이온의 움직임은 실험만으로는 이해가 어렵다. 양자역학적 모델링을 통해 원자 수준의 미시세계에서 리튬이온이 빠른 움직임을 보이는 원인을 파악했다”며, “현재 양자계산과 머신러닝 등 모델링의 발전과 적용으로 이차전지를 포함한 각종 소재 개발 시간이 단축되고 있다. 이번 연구 결과를 통해 충전 속도를 높여 빠르게 충전할 수 있는 배터리 개발이 가능해질 것”이라고 설명했다.