에너지과학과 김종순 교수팀, 차세대 배터리 ‘고속 충전 병목’ 해결할 양극 계면 설계 전략 제시

- 표면에 형성되는 저항층을 줄여 고속 충전 성능 1.58배 향상

실제 전기차용에 가까운 두꺼운 전극에서도 효과 확인, 상용화 가능성 높여

▲(왼쪽부터) 성균관대 에너지과학과 김종순 교수 (교신저자), 구본영 석박통 합과정생 (주저자), 포항공과대학교 박규영 교수 (교신저자)

에너지과학과 김종순 교수 연구팀이 차세대 배터리로 주목받는 ‘리튬인산망간철(LMFP)’ 배터리의 고질적인 충전 속도 저하 문제를 개선할 새로운 설계 방법을 개발했다. 이번 연구는 배터리를 짧은 시간 안에 충전할 때 성능이 떨어지는 이유를 밝혀내고, 고속 충전을 가로막던 병목 요인을 줄일 수 있는 방법을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다.

배터리를 충전하려면, 배터리 안의 리튬 이온이 양극 내부로 이동해 저장되어야 한다. 하지만 기존 LMFP 배터리는 충전이 진행되면서 양극 표면에서 ‘LiF(리튬플루오라이드)와’같은 저항층이 쌓이면서, 충전 속도를 높이면 이를 제때 받아들이기 어려워지는 한계가 있었다. 그 결과 짧은 시간 안에 충분한 충전이 쉽지 않았다. 즉, 빠르게 충전할수록 배터리 성능을 떨어뜨리는 병목이 더 뚜렷해지는 구조였다.

김종순 교수 연구팀은 이러한 한계를 줄이기 위한 전략을 세웠다. 연구팀은 빠른 충전 과정에서도 양극 표면에 저항층이 지나치게 쌓이지 않도록 계면을 설계해, 리튬 이온이 이동할 때 느끼는 저항을 기존보다 약 43%나 줄였다. 그 결과, 약 12분 만에 충전하는 조건에서도 기존보다 1.58배 더 많은 에너지를 저장할 수 있게 되었다. 이는 고속 충전 과정에서 성능 저하를 일으키던 병목 현상이 실제로 완화됐음을 보여주는 결과다.

▲ 후막 리튬인산망간철 전극의 입자 계면 설계 전략을 통한 전하 전달 저항 감소 모식도

특히 이번 연구가 주목받는 이유는 실험실용 얇은 배터리가 아니라, 실제 전기차에 들어가는 ‘두꺼운 전극(후막)’ 환경에서 이 효과를 증명했기 때문이다. 전극이 두꺼워지면 이온이 이동해야 할 거리가 길어져 성능을 내기가 훨씬 까다로운데, 연구팀은 이 악조건 속에서도 충전 성능이 대폭 향상됨을 확인했다. 이는 실제 사용 환경에 가까운 조건에서도 고속 충전 병목을 줄일 수 있음을 보여준다.

김종순 교수는 “이번 연구는 배터리를 충전할 때 표면에서 어떤 방해 물질이 생기는지를 정확히 찾아내고 이를 해결한 것”이라며 “앞으로 전기차의 충전 시간을 획기적으로 줄이고, 안전하면서도 오래가는 배터리를 만드는 데 중요한 기준이 될 것”이라고 설명했다.

▲ 고속 충전 병목 현상을 줄이기 위한 양극 표면 LiF 억제 설계의 효과 비교. 실제 전기차용에 가까운 조건에서 충전 성능과 수명 향상 효과를 확인

이 연구결과는 LG에너지솔루션과 산업기술기획평가원 소재부품기술개발사업(“3.7V급 고전압 인산망간철 양극재 제조공정기술 개발” 과제)의 지원으로 수행되었으며, 에너지 분야의 세계적인 권위지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 2026년 1월 24일자로 발표되었다.

※ 논문명: Enhanced Fast-Charging Performance of High-Mass-Loading Mn-Rich Li[Mn1-xFex]PO4 Cathodes via LiF-Less Cathode–Electrolyte Interphase

※ 학술지: Advanced Energy Materials

※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/aenm.202506130

붙임: 1. 연구자 사진

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