한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀은 전기자동차용 리튬이온배터리의 급속한 배터리 사용 시에 전극 소재의 변형과 전기화학 성능 저하 정도를 규명할 수 있는 플랫폼을 구축했다고 밝혔다.

전기자동차용 리튬이온전지는 기존의 소형 리튬이온전지와는 다르게 급가속 등 고출력이 필요한 상황에서 전지가 급속도로 방전되는 문제가 있었다. 이렇게 급속하게 충·방전되는 조건에서는 완속 충·방전 시에 얻을 수 있는 전지의 용량보다 훨씬 줄어들게 된다. 이러한 고출력의 충·방전의 반복은 결국 리튬전지의 수명을 크게 감소시키는 원인이었다.

KIST 장원영 박사 연구팀은 ‘하이-니켈계 소재(NCA)’를 분석해 배터리의 과도한 사용으로 인해 빠르게 방전될 때 일어나는 성능 저하를 규명했다. 앞선 연구에서는 3원계(Ni, Co, Mn) 양극(+) 물질 소재를 분석해 리튬이온전지를 급속으로 충전할 때 일어나는 전지의 성능 저하를 분석할 수 있는 플랫폼을 구축한 바 있다.(※J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 23, 5758-5763)

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

이를 통해 급가속 등의 빠른 속도의 방전 현상은 양극으로 전달되는 리튬이온의 양을 제한해 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.

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

KIST 연구진은 성능 저하로 이어지는 전극 내부구조에서 일어나는 미세한 초기변화를 다양한 범위에서 한눈에 확인할 수 있는 전지 소재의 성능 저하 분석 플랫폼을 확립했다.

KIST 장원영 박사는 “본 연구를 통해 전기자동차의 급가속 시 불규칙한 전지 소재 내부 변형으로 인한 배터리 성능 저하 메커니즘을 밝혀냈다.”라고 말하며, “이를 바탕으로 향후에는 급가속 시에도 배터리의 성능에 문제가 없는 안정한 배터리 소재 개발을 위해 매진할 계획이다.”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 화학 분야 국제학술지 ‘Angewandte Chemi’ (IF:12.257, JCR 분야 상위 9.59%) 최신호에 표지 논문으로 게재될 예정이다.

* (논문명) In-depth TEM Investigation on Structural Inhomogeneity within a Primary LixNi0.835Co0.15Al0.015O2 Particle: Origin of Capacity Decay during High-rate Discharge

– (제 1저자) KIST 이혜수 연구원(現 삼성SDI 연구원)

– (제 1저자) KIST 조은미 연구원(박사과정)

– (교신저자) KIST 에너지저장연구단 장원영 박사(책임연구원)

– (교신저자) KIST 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사(책임연구원)