전기자동차에 급가속을 가하게 되면 리튬이온 배터리의 성능이 급격히 저하된다. 전지의 용량이 줄어들고 자연스레 전지의 수명도 감소한다. 이런 문제는 전기자동차 시장 확대를 방해하고 있다. 국내 연구팀이 급가속 등 고출력으로 전기자동차를 운행할 경우 발생하는 리튬이온배터리의 성능 저하 원인을 찾아냈다.
한국과학기술연구원(KIST)은 장원영 에너지저장 연구단 책임연구원과 김승민 전북분원 탄소융합 소재연구센터 책임연구원 연구팀이 리튬이온 배터리의 성능 저하 원인이 전극 물질의 내부 변형이라는 연구결과를 내놨다고 4일 밝혔다.
리튬이온 배터리는 이차전지의 일종으로 방전 과정에서 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지이다. 충전 시에는 리튬이온이 양극에서 음극으로 다시 이동하여 제자리를 찾게 된다. 리튬이온 전지는 에너지밀도가 높고 사용하지 않을 때도 자가 방전이 일어나는 정도가 작다.
연구팀은 리튬이온 배터리의 급속 충∙방전 등 전기자동차의 여러 주행환경에서 작동 오류 및 안전사고를 초래할 수 있는 전극 소재의 변형을 분석했다. 고분해능 이미징 기법과 전자에너지 분광분석법, 전자회절 분석법 등 다양한 투과전자현미경 분석기법을 사용해 마이크로와 나노 스케일에서 하이-니켈계 소재의 전극 구조를 관찰했다. 이미 지난 2017년 연구팀은 니켈, 코발트, 망간 소재에 대한 전극 구조에 대한 연구를 진행했다. 투과전자현미경은 일정 속도로 가속된 전자의 회절 현상을 이용해 여러 물질에 대해 원자 수준 분해능 이미지를 얻을 수 있는 장비다.
그 결과 연구팀은 급가속과 같은 고출력 주행이 배터리 음극과 양극 중 양극으로 전달되는 리튬이온의 양을 제한하는 현상을 확인했다. 이로 인해 불완전하게 회복된 전극 물질의 내부 변형이 결국 전지 용량 감소와 수명 단축의 요인이 되는 것으로 분석했다. 특히 고전압으로 충전 및 방전하게 되면 이런 전극 구조의 불안정성이 더 높아지는 것으로 나타났다. 연구팀은 이를 토대로 전극 내부구조에서 일어나는 변화를 여러 범위에서 파악할 수 있는 ‘전지 소재의 성능저하 분석 플랫폼’을 개발했다.
장 연구원은 “중대형 이차전지 개발에 있어 전지의 성능 향상과 안정성의 확보가 중요하다”며 “이번 연구가 전극 소재 설계에 도움이 되길 바라며 개발한 플랫폼을 통해 전기자동차용 차세대 배터리 소재 설계를 위한 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.
이번 연구결과는 국제학술지 '앙케반테 케미' 10월 17일자에 발표됐다.