UNIST, 배터리 폭발 원인 '양극 내 산소 발생 현상' 규명

(울산=뉴스1) 이윤기 기자 = UNIST는 에너지화학공학과 정성균 교수가 배터리 고온 작동환경에서 양극 소재 미세 구조 변화와 산소 발생 간의 상관관계를 규명했다고 30일 밝혔다.

이 과정에서 양극 소재 성분별 산소 발생 현상을 분석해내 향후 새로운 배터리 양극 소재 설계에 도움이 될 전망이다.

이번 연구는 한국원자력연구원 김형섭 박사와 서울대 재료공학부 강기석 교수팀과 함께했다.

연구진에 따르면 배터리 양극에서 나오는 산소는 배터리 발화와 폭발의 주요 원인이다. 산소와 유기계 배터리 전해질이 만날 경우 고온의 작동환경과 맞물려 연소 반응이 일어날 수 있기 때문이다.

따라서 안전한 배터리 개발을 위해서는 내부에서 산소가 어떻게 발생하는지 또 얼마나 발생하는지를 알아내는 것이 중요하다.

연구팀은 산소 발생 현상과 양극 소재 미세구조 변화간의 상관관계 분석을 통해 양극 소재 내 코발트 성분 함량을 높여 산소 발생을 줄이는 새로운 설계 원리를 제시했다.

코발트가 많을수록 산소 발생의 주요 원인이 되는 암염 구조로의 상전이를 늦출 수 있기 때문이다. 상전이는 소재 내 원자(원소)들의 배열 모양과 위치가 바뀌는 현상으로 양극 소재가 고온에 노출되면 상전이가 일어난다.

연구진은 배터리 온도를 높여가면서 내부 원자 배열 구조변화와 산소 발생 현상을 실시간으로 분석했다. 중성자회절 분석 기법과 더불어 정확한 산소 발생량 분석을 위해서 기체 질량 분석법을 썼다.

실험 결과 양극 소재 내 코발트가 전이금속층에서 리튬층으로 이동하면서 스피넬 구조로 바뀌는 상전이가 발생하고 이때 전극에서 산소가 일부 발생되는 것을 확인했다.

정성균 교수는 "이번 연구 결과는 앞으로 안전한 배터리를 위한 양극 소재 조성설계에 대한 가이드라인을 제시해줄 것"이라고 기대했다.

한편 이번 연구수행은 과학기술정보통신부 방사선기술개발사업과 기초연구사업, 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 이뤄졌다.

bynaeil77@news1.kr