경북대-UNIST, 고-에너지밀도 전극 ‘죽은 공간’ 원인 규명…해결 설계 제시

[아이뉴스24 이창재 기자] 경북대학교 신소재공학과 이지훈 교수팀이 울산과학기술원(UNIST) 이현정 교수팀과 공동 연구를 통해 리튬이온전지의 고-에너지밀도 전극에서 발생하는 ‘죽은 공간(Dead Zone)’의 원인을 밝혀내고 이를 해결할 수 있는 새로운 설계 원리를 제시했다고 18일 밝혔다.

이번 성과는 전기차 주행거리 연장과 전지 안전성 향상에 기여할 것으로 기대된다.

리튬이온전지 전극은 활물질, 탄소 도전재, 바인더로 구성된다.

최근 전극의 에너지 밀도를 높이기 위해 활물질 비율을 95% 이상 늘리고 전극을 두껍게 제작하는 방식이 널리 쓰이지만, 이 과정에서 일부 활물질이 전기화학 반응에 참여하지 못하는 ‘죽은 공간’이 생겨 성능 저하 문제가 발생해 왔다.

연구팀은 포항 방사광가속기를 활용해 3종의 양극 활물질(리튬코발트산화물, 하이니켈 층상 양극재, 고전압 스피넬계 양극재)을 실시간 분석한 결과, ‘죽은 공간’은 소재의 낮은 전자·이온 전도도와 전극 구조적 한계에서 비롯된다는 사실을 규명했다.

이를 해결하기 위해 연구진은 파우치셀 구조를 적용, 전자는 수평, 이온은 수직으로 이동하도록 경로를 분리하는 새로운 설계 방식을 도입했다. 이로써 전극의 본래 용량을 온전히 발휘하게 만들며, 성능 저하를 획기적으로 개선했다.

이지훈 교수는 “성능 저하의 근본 원인을 밝혀내고 해결책을 제시했다는 점에서 의의가 크다”며 “향후 전기차와 대규모 저장장치에서도 전지의 안전성과 성능을 높이는 데 기여하겠다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구사업 및 박사과정생 연구장려금 지원사업의 지원을 받았고 결과는 국제 학술지 Journal of Energy Chemistry(인용지수 14.9, JCR 상위 2%) 11일자 온라인판에 게재됐다.