전기차 주행 거리를 늘리면서도 순간 출력 성능을 대폭 개선한 배터리 전극 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 정경민 교수팀은 배터리 후막 전극 내 다공성 구조를 최적화해 출력을 기존 대비 75% 향상시킨 대용량 전극을 개발했다고 5일 밝혔다.

전기차 배터리 용량을 늘리기 위해 전극을 두껍게 쌓는 '후막' 기술이 주목받고 있지만, 전극이 두꺼워질수록 리튬이온 이동 거리가 늘어나고 통로가 복잡해져 순간 출력 성능이 떨어지는 한계가 있었다.

연구팀이 개발한 전극은 면적당 용량이 10mAh/㎝²에 달하는 고용량임에도 출력 성능이 우수했다. 2C 고출력 환경에서 기존 전극이 0.98mAh/㎝²의 용량을 기록한 반면, 새 전극은 1.71mAh/㎝²를 달성해 짧은 시간 내 방출 가능한 전기 에너지가 약 75% 증가했다.

이는 전극 내부 기공을 두 종류로 분류하는 새로운 분석법 덕분이었다. 전극에는 리튬이온이 비교적 잘 통과하는 큰 기공과 도전재·바인더가 뭉쳐 형성된 미세 기공이 공존하는데, 연구팀은 미세 기공이 이온 흐름을 방해한다고 판단했다.

연구팀은 이를 정량 분석할 수 있는 이중공극 전송선 모델(DTLM)을 자체 개발했다. 이 분석을 토대로 제조 공정과 도전재 함량을 조절해 전극 내부 구조를 최적화했다.

제1저자인 전병진 연구원은 "정량 분석으로 얻은 수식은 데이터가 부족한 상황에서 물리 법칙 기반으로 학습하는 인공지능 기술인 PINN을 배터리 설계에 본격 적용할 수 있는 토대가 될 것"이라고 설명했다.

정경민 교수는 "후막 전극 시대에는 소재 특성뿐 아니라 소재가 만드는 미세 구조의 활용도를 높이는 설계가 중요해질 것"이라며 "하이니켈 배터리는 물론 설계가 까다로운 리튬인산철(LFP) 배터리 등 차세대 배터리 개발에도 중요한 역할을 할 것"이라고 전망했다.

이번 연구는 에너지·환경 분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈'에 지난달 12일 게재됐다. 연구는 산업통상자원부 지원으로 한국산업기술기획평가원의 '이차전지 건식 전극용 연속식 대면적 제조 장비 개발' 과제를 통해 수행됐다.