전기차 급가속·고출력 충전때 배터리 성능저하 원인 찾았다

장원영·김승민 KIST 연구팀

전극소재 변형·메커니즘 규명

차세대 배터리 소재 개발 기대

장원영 KIST 박사

김승민 KIST 박사

전기자동차는 동력원인 리튬이온전지의 성능 저하가 없는 고출력 장수명 전지를 개발하는 것이 핵심이다. 고출력으로 리튬이온전지를 사용하면 전지가 급속도로 방전되고 고출력의 충·방전을 반복하다 보면 리튬전지의 수명도 크게 단축된다.

이런 상황에서 국내 연구진이 전기자동차용 리튬이온배터리의 급속한 배터리 사용 시 전극 소재의 변형과 전기화학 성능 저하 정도를 규명할 수 있는 플랫폼을 구축했다. 이에 따라 급가속 시에도 안정적인 배터리 소재 개발에 도움이 될 것으로 전망된다. 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단의 장원영 박사와 전북분원 탄소융합소재연구센터의 김승민 박사 공동연구팀이다.



KIST 연구진은 리튬이온전지의 급속 충·방전 등 전기차의 다양한 주행환경에서 작동 오류 및 안전사고를 초래할 수 있는 전극 소재의 변형을 분석했다. 다양한 투과전자현미경 분석기법으로 마이크로·나노 스케일에서 전극 구조를 관찰·분석했다. 이들은 양극 물질인 ‘하이-니켈계 소재(NCA)’를 분석해 배터리의 과도한 사용으로 빠르게 방전될 때 일어나는 성능 저하를 규명했다. 그 결과, 급가속 등 빠른 속도의 방전 현상은 양극으로 전달되는 리튬이온의 양을 제한하고 불완전하게 회복된 전극 물질의 내부 변형이 결국 전지 용량 감소와 수명 단축의 요인임을 밝혔다. 이때 고전압으로 충·방전을 하게 되면 전극 구조의 불안정성이 더욱 높아지는 것도 확인했다. 전기차 급가속 시 불규칙한 전지 소재 내부 변형으로 인한 배터리 성능 저하 메커니즘을 밝혀낸 것이다. 이 연구는 화학 분야 국제학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’에 표지논문으로 게재될 예정이다.

장 박사는 “전극 내부구조에서 일어나는 미세한 초기 변화를 다양한 범위에서 한눈에 확인할 수 있는 전지 소재의 성능 저하 분석 플랫폼을 확립, 전지 소재의 성능 저하 메커니즘을 규명했다”고 설명했다. 앞서 장 박사팀은 3원계(Ni·Co·Mn) 양극(+) 물질 소재를 분석해 리튬이온전지를 급속으로 충전할 때 일어나는 전지의 성능 저하를 분석할 수 있는 플랫폼을 구축한 바 있다. /고광본선임기자 [e-mail]