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

전기차용 리튬이온배터리(LIB)가 급가속 등 고출력으로 주행할 때 성능이 저하되는 원인이 국내 연구진에 의해 규명돼 차세대 배터리 소재 개발에 기여할 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 에너지저장연구단 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀은 전기차용 LIB의 급속한 배터리 사용 시에 전극 소재의 변형과 전기화학 성능 저하 정도를 규명할 수 있는 플랫폼을 구축했다고 4일 밝혔다.

최근 전기차가 주목받으면서 LIB의 성능(에너지밀도) 저하가 없는 고출력 장수명의 전지를 개발하는 것이 핵심이다. 기존의 소형 리튬이온전지와는 다르게 급가속 등 고출력이 필요한 상황에서도 문제없이 사용 가능해야 한다. 고출력으로 LIB를 사용하게 되면 전지가 급속도로 방전되는데 충·방전이 반복되면 수명을 크게 감소시켜 전기차 시장 확대를 어렵게 하는 원인이 된다.

KIST 장원영 박사 연구팀은 이전 연구에서 3원계(니켈·코발트·망간) 양극(+) 물질 소재를 분석하여 LIB를 급속으로 충전할 때 일어나는 전지의 성능 저하를 분석할 수 있는 플랫폼을 구축한 바 있다.

이번에는 다른 양극 물질인 ‘하이-니켈계 소재(NCA)’를 다양한 투과전자현미경으로 분석해 LIB 급속 충·방전 등 전기차의 다양한 주행환경에서 작동 오류 및 안전사고를 초래할 수 있는 전극 소재의 변형을 분석했다.

이를 통해 급가속 등의 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 위하여 고전압으로 충·방전을 하게 되면 이러한 전극 구조의 불안정성은 더욱 높아짐을 확인했다.

KIST 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 규명했다.

KIST 장원영 박사는 “본 연구를 통해 전기자동차의 급가속 시 불규칙한 전지 소재 내부 변형으로 인한 배터리 성능 저하 메커니즘을 밝혀냈다.”라고 말하며, “이를 바탕으로 향후에는 급가속 시에도 배터리의 성능에 문제가 없는 안정한 배터리 소재 개발을 위해 매진할 계획”이라고 밝혔다.

한편 이번 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.