충전 불균형이 수명 갉아먹어…배터리 열화 새 원인 규명

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국연구재단은 인하대학교 김민규 교수 연구팀이 배터리 전극 내부의 충전상태 불균형이 입자 간 자발적인 리튬이온 재분배를 유도하고 배터리 열화를 촉진한다는 사실을 규명했다고 14일 밝혔다.

전기차, 에너지저장장치 등에서 활용성이 높은 고용량 배터리는 충·방전을 반복할수록 성능이 급격히 떨어지는 열화 문제를 떠안고 있다.

고성능 배터리 설계 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 결합해 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.

내부 리튬 이동은 전극의 충전상태를 동기화하는 과정이지만 한쪽 입자군의 함량이 낮으면 재분배 과정에서 외부 전류로는 드러나지 않는 추가적인 국부 전기화학 부담을 유발했다. 이렇게 내부전류가 몰린 입자는 결국 전극 전체의 열화를 가속하는 것으로 나타났다.

연구팀은 향후 다양한 니켈계 및 혼합 양극에서 내부 리튬이온 이동이 열화에 미치는 영향을 분석하고, 반응 분해 분석을 실제 배터리 전극의 불균일을 조기에 진단하는 기술로 발전시킬 계획이다.

김 교수는 "이번 연구는 우수한 소재라도 전극 안에서 다른 입자들과 반응 속도가 맞지 않으면 특정 입자가 선택적으로 망가질 수 있음을 보여준다"며 "앞으로는 전극을 구성하는 모든 입자가 균일하고 동기화된 방식으로 반응하도록 설계하는 것이 고용량·장수명 배터리 개발의 핵심 기준이 될 것"이라고 강조했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구 성과는 에너지 소재 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)'에 온라인 게재됐다.

jongseo12@news1.kr