전극 소재의 변형과 전기화학 성능 저하 정도를 규명할 수 있는 플랫폼 구축

전기차가 급가속 등 고출력으로 주행할 때 전지의 성능이 감소하는 현상 이미지.
전기차가 급가속 등 고출력으로 주행할 때 전지의 성능이 감소하는 현상 이미지.

한국과학기술연구원(KIST)이 전기자동차(EV)의 동력원인 리튬이온전지 성능과 수명이 저하되는 원인을 찾았다.

장원영 KIST 에너지저장연구단 박사와 김승민 KIST 전북분원 탄소융합소재연구센터 박사 공동연구팀은 전기차용 리튬이온 배터리 사용 시 전극 소재의 변형과 전기화학 성능 저하 정도를 규명할 수 있는 플랫폼을 구축했다.

전기차용 리튬이온전지는 기존의 소형 리튬이온전지와 달리 급가속 등 고출력이 필요한 상황에서도 문제 없이 사용이 가능해야 한다. 즉 전지의 성능(에너지밀도) 저하가 없는 고출력 장수명의 전지를 개발하는게 핵심이다.

고출력으로 리튬이온전지를 사용하게 되면 전지가 급속도로 방전되게 된다. 이렇게 급속하게 충·방전되는 조건에서는 완속 충·방전 시에 얻을 수 있는 전지의 용량보다 훨씬 줄어드는 문제점이 발생한다.

KIST 연구팀은 이전 연구에서 3원계(Ni, Co, Mn) 양극(+) 물질 소재를 분석해 리튬이온전지를 급속으로 충전할 때 일어나는 전지의 성능 저하를 분석할 수 있는 플랫폼을 구축한 바 있다.

이번에는 다른 양극 물질인 ‘하이-니켈계 소재(NCA)’를 분석해 배터리의 과도한 사용으로 인해 빠르게 방전될 때 일어나는 성능 저하를 규명했다.

KIST 연구팀은 리튬이온전지의 급속 충·방전 등 전기차의 다양한 주행 환경에서 작동 오류 및 안전사고를 초래할 수 있는 전극 소재의 변형을 분석했다.

연구팀은 다양한 투과전자현미경 분석기법(고분해능 이미징 기법, 전자에너지 분광분석법, 전자회절 분석법 등)을 활용해 각각 마이크로·나노 스케일에서 전극 구조를 관찰·분석했다.

이를 통해 급가속 등 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 위해 고전압으로 충·방전하게 되면 이런 전극 구조의 불안정성은 더욱 높아짐을 확인했다.

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

한편 연구결과는 화학 분야 국제학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie, 온라인 10월 17일자)’ 최신호에 표지 논문으로 게재될 예정이다.

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

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