전기차 배터리 충전ㆍ성능 저하원인 찾았다

- KIST 장원영 박사팀, 전극소재 열화 메커니즘 분석 플랫폼 구축
- 전극물질 내부변형이 전지 용량 감소 및 수명단축 야기

[헤럴드경제=구본혁 기자] 리튬이온전지는 휴대폰, 노트북의 소형 전원에서 에너지저장시스템(ESS) 등의 대용량 전원까지 활용되는 추세다. 특히 최근 전기자동차가 주목받으면서 동력원인 리튬이온전지의 용량을 키우고 충전시간을 줄이는 것에 관심이 모아지고 있다. 즉 빠른 충전 속도를 유지하면서도 전지의 성능 저하가 없는 고출력, 장수명의 전지를 개발하는 것이 핵심이다.

한국과학기술연구원(KIST)은 에너지융합연구단 장원영<사진> 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀이 리튬이온전지의 급속 충·방전 시 전극 소재의 변형, 즉 열화로 인한 전극 내부구조에서 일어나는 변화를 다양한 범위에서 한 눈에 확인할 수 있는 전지 소재의 열화 분석 매커니즘을 규명했다고 28일 밝혔다. 


연구팀은 최근 전기자동차용 고용량 양극( ) 소재의 후보물질로 각광받고 있는 니켈, 코발트, 망간 등 3원계 양극 물질 소재의 충·방전 과정을 투과전자현미경을 이용해 분석했다.

또 충·방전 시 리튬이온의 이동속도 변화에 따른 전극소재의 열화 정도 차이를 각각 표면 및 벌크 구조별로 다중 길이 범위에서 규명할 수 있는 플랫폼을 구축했다.

리튬이온전지는 충전 과정에서 리튬 이온이 내부의 전해질을 통해서 양극에서 음극으로 이동하게 된다. 리튬이온전지의 충전 속도를 급속으로 하게 되면, 리튬이온이 전극 및 전해질을 거쳐 전달되는 속도가 빠르지 못해 전지의 용량과 수명이 급격히 감소되는 단점이 있다. 즉 완속 충전량에 비해 훨씬 적은 용량만 충전할 수 있고, 또한 반복되는 급속 충전으로 리튬이온전지의 수명이 크게 감소하게 된다.

현재까지는 주로 전지의 성능 지표를 높이기 위해 전지 용량과 직결돼 있는 전극 소재의 벌크 구조 분석에 대한 연구가 집중돼 왔다. 하지만 연구팀은 실제 유기용매 전해액과 맞닿아 있는 전극의 표면에서 전지의 열화나 열 폭주 현상이 시작하는 것에 주목하고, 배터리의 전극 표면을 효과적으로 분석할 수 있는 전자현미경 기반 전지 소재 열화 분석 플랫폼을 구축했다. 

전기자동차용 고용량 양극소재의 고속 충‧방전 시 내부 구조 변화 도식도 [제공=KIST]

연구팀은 충전 속도에 따라 전극 물질 표면에서의 내부구조 변형의 정도가 다르게 나타나고, 내부구조 변형의 회복 정도 역시 방전 속도에 따라 다르게 나타나는 것을 확인했다. 즉 불완전하게 회복된 전극 물질의 내부 변형이 결국 전지 용량의 감소와 수명 단축을 야기한다는 것이다.

장원영 박사는 “전지의 안전성이 무엇보다 강조되는 중대형 이차전지 개발에 있어 이번 연구가 전극 소재의 설계 인자를 찾아가는 고도 분석 연구의 발판이 되길 바란다”며 “특히 이번 분석 플랫폼을 통해 전기자동차용 차세대 배터리 소재 설계를 위한 연구에 매진할 계획”이라고 말했다.

이번 연구성과는 ‘더 저널 오브 케미스트리 레터’ 11월 8일자 온라인판에 게재됐다.

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