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| 리튬이온배터리.[AI생성 이미지] |
[헤럴드경제=구본혁 기자] 전기차나 대용량에너지저장장치의 리튬이온배터리 수명을 갉아먹는 새로운 원인이 밝혀졌다.
한국연구재단은 인하대학교 김민규 교수 연구팀이 배터리 전극 내부의 충전상태 불균형이 입자 간 자발적인 리튬이온 재분배를 유도하고, 이 과정에서 발생한 내부전류가 특정 입자에 집중돼 배터리 열화를 촉진한다는 사실을 규명했다고 14일 밝혔다.
전기자동차와 에너지저장장치에 활용되는 고용량 배터리는 충·방전을 반복할수록 성능이 급격히 떨어지는 열화 문제가 발생하여 시장 확대와 장기 사용에 큰 걸림돌이 되어 왔다.
특히 그동안 연구는 단일 소재 및 개별 입자의 구조적 안정성에 치중되어 있어, 전극 수준에서 복수 입자의 상호작용으로 발생하는 열화 메커니즘을 규명하는 데 한계가 있었다.
고성능 배터리 설계의 한계를 극복하기 위해서는 전극 수준에서 일어나는 미시적인 상호작용과 열화 메커니즘을 명확히 규명하는 연구가 필수적이다.
연구진은 크기가 다른 두 종류의 양극 입자를 여러 비율로 혼합한 복합전극을 제작한 뒤, 자체 개발한 반응 분해 분석 플랫폼과 방사광 기반 마이크로 X선 회절 매핑, 투과 X선 현미경 기술을 결합하여 전극 전체와 개별 입자 내부의 반응 분포를 추적했다.
분석 결과, 외부 충전을 중단한 이후에도 두 입자군의 충전상태 차이를 해소하는 방향으로 리튬이온이 자발적으로 재분배되는 현상이 확인됐다.
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| 김민규 인하대학교 교수.[인하대학교 제공] |
이러한 내부 리튬 이동은 전극의 충전상태를 동기화하는 과정이지만, 한쪽 입자군의 함량이 낮은 조성에서는 재분배 과정에서 발생하는 내부전류가 소수 입자에 집중돼 외부 전류로는 드러나지 않는 추가적인 국부 전기화학 부담을 유발했다.
내부전류가 몰린 입자는 전해질과의 부반응으로 유기물계 표면 피막이 두껍게 형성되었으며, 리튬이 이동할 수 있는 정상적인 층상 결정구조가 전기화학적으로 불활성한 암염상 구조로 변형되어 결국 전극 전체의 열화를 가속하는 것으로 나타났다.
김민규 교수는 “이번 연구는 양극의 입자 크기와 혼합 비율, 전극 내부 전자 이온 전달경로를 최적화하는데 활용될 수 있다“면서 ”모든 입자가 유사한 속도로 반응하도록 설계하면 특정 입자에 내부전류와 열화가 집중되는 현상을 줄일 수 있다“고 밝혔다.
이어 “앞으로는 전극을 구성하는 모든 입자가 균일하고 동기화된 방식으로 반응하도록 설계하는 것이 고용량·장수명 배터리 개발의 핵심 기준이 될 것”이라고 덧붙였다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업 지원으로 수행된 이번 연구성과는 에너지 소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’에 7월 30일 게재됐다.
