매일 경제

(울산=연합뉴스) 김용태 기자 = 원통형 배터리 설계에서 전극 곡률(곡선이나 곡면의 구부러진 정도를 나타내는 값)이 중요한 설계 변수라는 사실을 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 밝혀냈다.

UNIST는 에너지화학과 정경민 교수팀이 원통형 배터리 전극의 곡률이 전기화학적 성능에 미치는 영향을 규명하고, 최적화된 전극 설계 방안을 제시했다고 6일 밝혔다.

원통형 배터리는 음극과 양극 사이에 분리막을 끼워 차곡차곡 쌓은 다음 돌돌 말아낸 형태의 배터리다.

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 간 접촉 면적이 달라지면서 용량비가 이상적인 설곗값에서 벗어날 수 있다고 보고 이번 연구를 시작했다.

일반적으로 배터리를 설계할 때는 리튬 금속 석출(리튬이 음극에 고르게 삽입되지 못하고 금속 형태로 표면에 나오는 현상) 예방과 고속 충전을 위해 음극 용량을 양극 용량보다 더 크게 설계한다.

연구팀이 다양한 곡률 조건을 모사한 실험용 곡률형 단판 셀을 제작해 상용 21700 원통형 배터리와 비교 분석한 결과, 전극의 용량비가 전극의 위치에 따라 달라지는 것을 확인했다.

특히 곡률이 큰 중심부 영역에서는 저온 또는 고전압 충전 시 리튬 금속 석출 위험이 뚜렷하게 증가했다.

리튬 금속 석출은 배터리 성능 저하뿐만 아니라 배터리 내부 단락으로 이어져 심각한 안전 문제를 유발할 수 있다.

대용량 하이니켈 양극재에서는 이러한 곡률 민감도가 더 컸다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 전극의 양면 두께를 각각 조정하는 설계 전략을 제시했다.

음극과 양극 간 접촉 면적 비율 변화 때문에 발생하는 용량비 변화를 전극의 두께 조정을 통해 보정하는 원리다.

제1저자 전병진 연구원은 "배터리 성능과 안정성을 위해 소재 특성을 반영하는 것뿐만 아니라 전극 곡률까지 함께 고려하는 고도화된 접근 방식이 필요하다는 점에서 연구의 의의가 크다"고 말했다.

이런 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 '에너지 스토리지 머티리얼스'(Energy storage materials)에 지난달 20일 온라인으로 게재됐다.

연구는 산업통상자원부의 지원을 받아 한국산업기술진흥원에서 시행하는 산업혁신기반구축사업 '고출력 이차전지 소재·부품 대응용 성능 검증 플랫폼 기반 구축' 과제를 통해 이뤄졌다.

yongtae@yna.co.kr(끝)