한국과학기술원(KAIST) 연구진이 전기차 배터리의 수명이 충전 속도와 열화에 영향을 주는 원인을 밝혀냈다. 이번 연구는 리튬이온배터리 흑연 음극 내부 구조를 3차원 디지털 트윈으로 분석해 급속 충전 시 발생하는 문제를 밝혀냈다.
배터리 전극은 리튬을 저장하는 흑연, 바인더, 리튬이온이 이동하는 빈 공간으로 이루어져 있는데, 충전 속도가 빠를수록 '리튬 도금' 현상이 발생해 배터리 성능이 떨어진다. 또한, 충전 중에는 '고체전해질 계면층(SEI)'가 생성되는데, 이 계면층이 두껍거나 고르지 않으면 배터리 성능에 영향을 줄 수 있다.
연구팀은 전극의 바인더와 빈 공간의 배치를 바꿔가며 분석한 결과, 전체 충전용량이 비슷하더라도 전극 내부 구조가 배터리 손상 정도에 영향을 준다는 것을 확인했다. 바인더가 한쪽에 몰리면 리튬이온이 통과하는 빈 공간이 줄어들어 리튬도 금 양이 증가한다는 사실을 발견했다.
이번 연구 결과는 '인포맷' 저널에 게재되었고, KAIST 기계공학과 박사과정인 강예진 학생을 1저자로 한 논문은 7월 7일 후면 표지 논문으로 선정되었다. 이를 통해 배터리 내부의 문제를 해결하기 위해 전극 바인더와 빈 공간의 적절한 분포를 고려해야 한다는 새로운 설계 방향이 제시되었다.