전기차용 차세대 배터리 소재 설계 위한 발판 마련

▲ 국내 연구진이 전기자동차용 리튬이온배터리의 급속한 배터리 사용 시에 전극 소재의 변형과 전기화학 성능 저하 정도를 규명할 수 있는 플랫폼을 구축했다. 사진은 전기자동차가 급가속 등 고출력으로 주행할 때 전지의 성능이 감소하는 현상 이미지

[기계신문] 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동 연구팀이 전기자동차용 리튬이온배터리의 급속한 배터리 사용 시에 전극 소재의 변형과 전기화학 성능 저하 정도를 규명할 수 있는 플랫폼을 구축했다.

지난 20여 년간 급격한 성장세를 보인 리튬이온전지는 노트북 및 휴대전화 등 소형 IT용 에너지저장에서부터 전기자동차, 전력저장 등 중·대형으로 적용 범위가 확대되고 있다. 특히, 최근 대기 오염 문제가 인류 생존의 문제로 인식되면서 전기자동차가 현 내연기관 자동차의 대안으로 부상함에 따라 전기차 동력원인 리튬이온전지의 수요는 폭증할 것으로 예상된다.

기존의 소형 리튬이온전지와 달리 전기자동차용 리튬이온전지는 고에너지밀도 외에 고출력, 장수명 및 고안전성 등의 추가적인 특성을 갖춰만 한다. 특히, 고출력 특성은 전기차의 시장 확대와 직결된 문제라고 할 수 있다. 하지만 현재 사용되고 있는 리튬이온전지 소재들은 급속 충·방전 시 소재의 용량이 크게 감소하고, 수명이 단축되는 문제점을 갖고 있다.

이를 해결하기 위해서는 먼저 현상의 원인에 대한 체계적인 분석이 필요하며, 이를 통해 그 메커니즘을 이해하고 전극 소재 설계 인자를 확인해야 한다. 이에 전극 표면의 국부구조를 나노 스케일에서 효과적으로 분석할 수 있는 기법들을 활용하여 전극 소재 입자들의 열화 정도와 그 불균일성을 확인할 수 있는 종합적 고도 분석 플랫폼 확보가 매우 중요한 상황이다.

KIST 연구팀은 이전 연구에서 3원계(Ni, Co, Mn) 양극(+) 물질 소재를 분석하여 리튬이온전지를 급속으로 충전할 때 일어나는 전지의 성능 저하를 분석할 수 있는 플랫폼을 구축한 바 있다. 이번에는 다른 양극 물질인 ‘하이-니켈계 소재(NCA)’를 분석하여 배터리의 과도한 사용으로 인해 빠르게 방전될 때 일어나는 성능 저하를 규명했다.

▲ 전기자동차 전극소재인 니켈계 양극재(NCA)의 고율 방전 시 전압 조건에 따른 전지 용량 감소 변화 및 표면 및 벌크 내부구조 변화와의 상관관계 도식도

연구팀은 리튬이온전지의 급속 충·방전 등 전기차의 다양한 주행환경에서 작동 오류 및 안전사고를 초래할 수 있는 전극 소재의 변형을 분석했다. 연구팀은 다양한 투과전자현미경 분석기법(고분해능 이미징 기법, 전자에너지 분광분석법, 전자회절 분석법 등)을 활용하여 각각 마이크로·나노 스케일에서 전극 구조를 관찰·분석했다.

이를 통해 급가속 등의 빠른 속도의 방전 현상은 양극으로 전달되는 리튬이온의 양을 제한하며, 이 결과로 불완전하게 회복된 전극 물질의 내부 변형이 결국 전지 용량 감소와 수명 단축의 요인임을 밝혔다. 특히 고용량 사용을 위하여 고전압으로 충·방전을 하게 되면 이러한 전극 구조의 불안정성은 더욱 높아짐을 확인했다.

연구팀은 성능 저하로 이어지는 전극 내부구조에서 일어나는 미세한 초기변화를 다양한 범위에서 한눈에 확인할 수 있는 전지 소재의 성능 저하 분석 플랫폼을 확립하였고, 전지 소재의 성능 저하 메커니즘을 규명하였다.

KIST 장원영 박사는 “이번 연구를 통해 전기자동차의 급가속 시 불규칙한 전지 소재 내부 변형으로 인한 배터리 성능 저하 메커니즘을 밝혀냈다”며 “이를 바탕으로 향후 급가속 시에도 배터리의 성능에 문제가 없는 안정한 배터리 소재 개발을 위해 매진할 계획”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 화학 분야 국제학술지 ‘Angewandte Chemi’ 최신호 표지 논문으로 게재될 예정이다.

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