KIST 장원영·김승민 박사팀, 전기차(EV) 배터리 성능 저하 메커니즘 규명

최태우 기자 / 기사승인 : 2019-12-04 13:05:57
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차세대 배터리 소재 설계 위한 가이드라인 활용 기대
▲ (왼쪽부터) KIST 장원영 박사(책임연구원), KIST 김승민 박사(책임연구원) [사진=KIST]

[IT비즈뉴스 최태우 기자] 전기차(EV)가 주목받으면서 주 동력원인 리튬이온전지의 성능 개선에 대한 연구도 진행되고 있다. 전기차용 리튬이온전지는 에너지밀도 저하가 없는 고출력·장수명 구현 기술이 필요하며, 급가속 등 고출력이 필요한 상황에서도 문제없이 사용할 수 있어야 한다.


이 가운데 전기차에 탑재되는 리튬이온배터리내 전극 소재의 변형, 화학적 성능 저하의 정도를 사전에 확인할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 향후 성능과 안전성을 갖춘 전기차용 차세대 배터리 양극 소재 설계 인자 가이드라인으로 활용될 것으로 기대된다.

4일 한국과학기술연구원(KIST)에 따르면, KIST 에너지저장연구단 장원영 박사와 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀이 전기차용 리튬이온배터리 내 전극 소재의 변형과 전기화학 성능 저하 정도를 규명할 수 있는 플랫폼을 구축했다고 밝혔다.

고출력으로 리튬이온전지를 사용하게 되면 전지가 빠르게 방전된다. 이렇게 급속하게 충방전되는 조건에서는 완속 충방전 시에 얻을 수 있는 에너지는 용량보다 크게 줄어든다. 고출력의 충방전 반복은 리튬전지의 수명을 크게 감소시키는 원인이기도 하다.

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

연구팀은 이번 연구를 통해 다른 양극 물질인 ‘하이-니켈계 소재(NCA)’를 분석해 과도한 배터리 사용으로 빠르게 방전될 때 일어나는 성능 저하를 규명했다. 특히 리튬이온전지의 급속 충방전과 같은 전기차의 다양한 주행환경에서 발생되는 작동 오류나 안전사고를 초래할 수 있는 전극 소재의 변형을 분석했다.

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

급속 방전 현상은 양극으로 전달되는 리튬이온의 양을 제한하면서 불완전하게 회복된 전극 물질의 내부 변형이 결국 전지 용량 감소와 수명 단축의 요인임을 밝혀냈다. 연구팀은 고용량 사용을 위하여 고전압으로 충방전을 하게 되면 이러한 전극 구조의 불안정성은 더욱 높아지는 것을 확인했다고 밝혔다.

특히 성능 저하로 이어지는 전극 내부구조에서 일어나는 초기변화를 다양한 범위에서 확인할 수 있는 전지 소재의 성능 저하 분석 플랫폼을 확립하면서 전지 소재의 성능 저하 메커니즘을 규명했다.

KIST 장원영 박사는 “해당 연구를 통해 전기차의 급가속 시 불규칙한 전지 소재 내부 변형으로 인한 배터리 성능 저하 메커니즘을 밝혀냈다”며 “이를 바탕으로 향후에는 급가속 시에도 배터리의 성능에 문제가 없는 안정한 배터리 소재 개발 연구를 이어갈 계획”이라고 밝혔다.

해당 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행됐다. 연구결과는 화학 분야 국제학술지 ‘Angewandte Chemi’ (IF:12.257, JCR 분야 상위 9.59%) 최신호 표지논문으로 게재 예정이다.

 

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