[인더스트리뉴스 김관모 기자] 한국과학기술연구원(원장 이병권, 이하 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 12월 3일 밝혔다.

최근 전기차가 주목받으면서 동력원인 리튬이온전지의 우수한 성능 및 수명을 유지할 수 있게 하는 것에 관심이 쏠리고 있다. 전지의 성능(에너지밀도) 저하가 없는 고출력 장수명의 전지를 개발하는 것이 핵심이다. 전기자동차용 리튬이온전지는 기존의 소형 리튬이온전지와는 다르게 급가속 등 고출력이 필요한 상황에서도 문제없이 사용 가능해야한다.

고출력으로 리튬이온전지를 사용하게 되면 전지가 급속도로 방전되게 된다. 이렇게 급속하게 충·방전되는 조건에서는 완속 충·방전 시에 얻을 수 있는 전지의 용량보다 훨씬 줄어들게 되는 문제점이 발생하게 된다. 이러한 고출력의 충·방전의 반복은 결국 리튬전지의 수명을 크게 감소시켜 전기자동차의 시장 확대에 큰 걸림돌이 되어왔다.

이에 KIST 장원영 박사 연구팀은 리튬이온전지의 급속 충·방전 등 전기차의 다양한 주행환경에서 작동 오류 및 안전사고를 초래할 수 있는 전극 소재의 변형을 분석했다고 밝혔다. 연구진은 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 양극(+)으로 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 확인했다는 것.

연구진은 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. 장원영 박사는 “중대형 이차전지 개발에 있어서 전지의 성능 향상과 더불어 안전성의 병행 확보가 무엇보다 중요하다. 이번 연구가 전극 소재의 설계에 발판이 되길 바라며, 향후 이번 분석 플랫폼을 이용해 전기자동차용 차세대 배터리 소재 설계를 위한 연구에 매진할 계획”이라고 말했다.

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

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