리튬 이온전지의 급속 충전은 활용 수요가 증가함에 따라 점점 더 중요한 기술로 부상하고 있다. 그러나 고속 충전 상황에서는 전해질 내부에서 농도 분극이 빠르게 누적되고 과전압이 급상승하면서, 흑연 음극 표면에서 금속 리튬이 석출되는 전착(plating) 문제가 빈번하게 발생한다. 이러한 전착은 계면 저항 증가, 수명 열화, 심할 경우 내부 단락에 따른 안전성 문제로 이어지는 근본적 한계로 작용한다.서울대학교 최장욱 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 조합/조성의 전해액을 비교 분석한 끝에 리튬 이온 전이수(Li⁺ transference number)가 크게 향상된 전해질을 새롭게 확보했다. 이 전해질은 고속 충전 조건에서 음이온 이동을 최소화해 농도 구배를 억제하며, 이에 따라 흑연 음극에서도 금속 리튬 전착 없이 안정적인 삽입 반응을 유지하는 것으로 확인됐다. 급속 충전 성능과 용량 유지 성능 역시 기존 대비 뚜렷한 개선을 보였다.
이와는 또 다른 방향의 연구로, 연구팀은 전극 계면에서 발생하는 전착 문제를 구조적으로 차단하기 위해 첨가제를 활용해 리튬 친화적인 고체전해질계면(SEI)의 형성을 유도하는 전략을 제시했다. 리튬 친화적 SEI는 리튬의 계면 통과 장벽을 낮춰 과전압 증가 시에도 금속 리튬 전착을 억제하고, 실리콘 음극에서는 합금화 반응을 우선적으로 유도하는 역할을 했다. 첨가제를 극미량(0.01 M) 도입한 조건에서도 6C 급속 충전에서 사이클 수명이 향상되는 효과가 확인됐다.
전해질과 전극 계면의 정교한 제어는 급속 충전 환경에서 음극의 안정적 구동을 확보하기 위한 핵심 기술이다. 본 연구진은 두 영역에서 각각 합리적 설계 원리를 적용하고 성능 향상을 입증함으로써, 급속 충전 리튬 이온전지 개발을 위한 유효한 전략적 방향성을 제시하였다.
